La chimica nel computer

Michele Parrinello: atomi e molecole virtuali

di Marco Cagnotti

Quest’intervista è disponibile in versione
ridotta anche nel podcast di Quarantadue

“Se non funziona è fisica, se puzza è chimica, se si muove è biologia“: così recita una vecchia battuta (non priva di fondamento, in verità). Difatti t’immagini il laboratorio chimico pieno di provette, storte e alambicchi, magari insieme a computer e spettrometri di massa. Ma sempre di reazioni e soluzioni, di fumi e cappe e camici bianchi si tratta. E anche di puzze, va’. Ma non qui. Non in questo studio accogliente, all’ultimo piano di un edificio dell’Università della Svizzera Italiana, con un’ampia vista su Lugano. Appena qui fuori c’è una sala in cui giovanissimi ricercatori smanettano sui computer. E fanno chimica. Senza provette e alambicchi e spettrometri di massa? Solo coi computer?

Già. Perché questo è il regno della scienza computazionale. Voltando la testa, lo sguardo intercetta la Medaglia Dirac del 2009: in pratica, il premio scientifico più prestigioso subito dopo il Nobel. Attribuito a Michele Parrinello per il metodo Car-Parrinello. Lo scienziato italiano è arrivato a Lugano nel 2003 partendo dal Politecnico Federale di Zurigo, dov’era giunto da Stoccarda e… insomma una lunga storia fra l’Italia, la Germania e la Svizzera, a cavallo fra la fisica e la chimica, unite dal denominatore comune del computer. Già, perché questo fanno Parrinello e i suoi discepoli: la chimica con il computer. E noi ce la siamo fatti raccontare direttamente da lui.

A Lugano, in mezzo a diplomi, targhe e riconoscimenti.

Professore, quanto è cambiata la chimica grazie all’aumento della potenza di calcolo dei computer?

Moltissimo. Quasi tutte le discipline scientifiche sono state fortemente modificate dallo sviluppo dei computer.

Perché il computer è uno strumento per raccogliere dati e misure?

Anche, ma non solo. E’ proprio cambiato l’approccio alla problematica scientifica. Accanto ai due precedenti, è comparso un modo nuovo di “fare scienza”.

Ah, ce n’erano due?

Sì, è ovvio. Da un lato c’è sempre stata la scienza sperimentale, quella del laboratorio, delle provette, degli alambicchi, di tutti gli apparecchi messi a disposizione dalla tecnologia. E dall’altro c’era la scienza teorica, che lavorava con le equazioni e faceva previsioni che poi gli scienziati sperimentali avrebbero verificato. L’esempio più noto del teorico è Einstein.

E adesso c’è un terzo tipo di scienza?

Sì, ora con il grande sviluppo dei computer si è fatto strada un modo nuovo di fare scienza. Si parla di scienza computazionale: fisica computazionale, ma anche chimica computazionale. E l’esperimento viene simulato con il calcolatore.

Ed è qualcosa di totalmente diverso?

In realtà è a cavallo fra la scienza sperimentale e quella teorica. Si usano le ipotesi e le equazioni teoriche, che sappiamo essere molto accurate nel descrivere il comportamento della materia. Poi le si sviluppa grazie alla potenza di calcolo dei computer, ovviamente introducendo delle approssimazioni. Infine, se è possibile, si realizzano degli esperimenti reali per verificare come si comporta davvero il sistema, cioè se il modello della realtà la descrive correttamente.

E lei si occupa di chimica computazionale.

In realtà io sono stato educato come un fisico, ma nella naturale evoluzione della mia carriera ho finito per interessarmi soprattutto a problemi di chimica. Quindi direi che sono un chimico-fisico. D’altronde essere un fisico è come essere un prete: se lo diventi, poi rimani tale per tutta la vita. (Ride.)

E nelle sue simulazioni fin dove si spinge?

Le cose che faccio io sono simulazioni di particelle. In realtà ci sono tanti livelli possibili nella descrizione della materia che ci circonda. Se per esempio voglio descrivere un fiume, non uso una descrizione in termini di atomi, ma applico le equazioni della fluidodinamica. Se invece voglio studiare i problemi della chimica o della scienza dei materiali, devo occuparmi dei costituenti elementari della materia.

Quanto elementari? A livello di atomi e di molecole? Di nuclei e di elettroni? Di quark? Quanto in profondità si spingono le simulazioni?

Se ci spingessimo fin dentro il nucleo, raggiungeremmo scale di lunghezza e di energia non interessanti per la vita di ogni giorno. Attenzione: non dico che non si facciano simulazioni interessanti anche in fisica nucleare e in fisica delle particelle. Anche in quegli ambiti l’approccio computazionale gioca un ruolo molto importante. Ma non sono gli ambiti di cui mi occupo io. Io lavoro con equazioni diverse, sulle molecole, sugli atomi. Anche sugli elettroni, perché in fin dei conti la chimica è passaggio e condivisione di elettroni fra un atomo e l’altro. E difatti in molte delle nostre simulazioni noi teniamo conto anche degli elettroni.

Ma gli atomi e le molecole sono tantissimi anche in una porzione molto limitata di materia! Solo in una mole ce n’è una quantità pari al Numero di Avogadro: più di 100 mila miliardi di miliardi. Davvero riuscite a simulare quantità così grandi di particelle?

No, certo che no. D’altronde non è nemmeno necessario. E ci sono varie maniere per risolvere il problema. Uno dei trucchi consiste nel simulare un sistema di decine di migliaia di atomi per approssimare le condizioni di un sistema molto più grande. Poi bisogna considerare pure che ci sono molti fenomeni che accadono su una scala di lunghezze molto limitata e quindi coinvolgono un numero molto limitato di atomi. Se io formo una molecola, le conseguenze di questa formazione non si propagheranno a grandi distanze ma rimarranno limitate nello spazio. Perciò mi basterà una porzione limitata di atomi e di molecole per descrivere il fenomeno.

Qual è il vantaggio del lavoro con il computer? Voglio dire… a parte il fatto che non puzza, che cosa dà di più rispetto al caro, vecchio metodo di lavoro con provette e alambicchi?

C’è una grande varietà di ragioni. Quando io svolgo l’esperimento in laboratorio, non posso vedere ogni singolo atomo, ma devo accontentarmi di misurare proprietà macroscopiche come la temperatura, la pressione, lo spettro ottico. Poi da questa messe di dati sperimentali devo estrarre un modello per formarmi una comprensione dettagliata del sistema. La simulazione con il computer mi consente di avere informazioni su tutto il sistema. Dalle coordinate di tutti i singoli atomi ricostruisco come si sono comportati, come si sono mossi e come hanno interagito. E posso formulare un modello microscopico, dal quale ricavo la comprensione profonda di ciò che succede. Senza contare la sicurezza.

La sicurezza?

Certo. L’esperimento reale, in laboratorio, può essere molto pericoloso, magari perché impone di manipolare sostanze tossiche o radioattive oppure di operare in condizioni di temperatura o di pressione proibitive. Le mie simulazioni, che hanno una grande accuratezza, mi permettono di svolgere un esperimento virtuale in tutta sicurezza. D’altronde questo succede anche in altre discipline, come la planetologia.

La planetologia?

Sì, anche la planetologia. La struttura profonda dei pianeti non può essere esplorata direttamente, perciò un modello planetario realistico aiuta a capire come sono fatti questi corpi celesti.

Torniamo alla chimica. In queste simulazioni vengono considerati anche gli effetti quantistici?

Dipende. C’è una certa classe di fenomeni la cui simulazione non richiede l’uso esplicito della meccanica quantistica, che rimane, se così si può dire, nascosta sotto il tappeto, facendo sentire i propri effetti solo indirettamente. Però in chimica si tratta di legami chimici. Si formano e si rompono molecole. La formazione e la rottura dei legami è un fenomeno tipicamente quantistico, perciò la sua simulazione va fatta considerando anche la meccanica quantistica.

2009: arriva la Medaglia Dirac.

E lì c’entra il metodo Car-Parrinello, per il quale avete vinto la Medaglia Dirac?

Sì, Roberto Car e io…

Roberto?

Certo: Car è italiano. Il cognome sembra straniero, ma è italiano. E’ un mio vecchio amico ed è milanesissimo, anche se adesso lavora all’Università di Princeton. Anche lui è un fisico, ed è più legato alla fisica di me, che mi sono “contaminato” con la chimica. (Ride.) Ma torniamo al metodo… Car e io siamo stati i primi, con la Car-Parrinello Molecular Dynamics, ad aver introdotto gli effetti quantistici nelle simulazioni. Con questo metodo si possono simulare più accuratamente le reazioni chimiche. Ma attenzione: l’equazione di Schrödinger è molto molto più difficile e costosa da risolvere, rispetto alle equazioni della fisica classica.

Costosa? In che senso?

Nel senso che il tempo di calcolo dei grandi computer è limitato, perciò ha un costo che si può esprimere in franchi. E c’è anche un costo in termini di tempo umano. Scherzando, noi diciamo che il tempo limite è la vita media di uno studente di dottorato. (Ride.) Però in effetti una ricerca dev’essere conclusa in un numero limitato di anni.

Già, non si può mica lavorare all’infinito su un problema. Ma l’aumento della potenza di calcolo dovrebbe aiutare.

Aiuta in due diverse direzioni. Da un lato c’è la famosa Legge di Moore, secondo la quale la potenza di calcolo raddoppia circa ogni anno e mezzo. Questo è un miglioramento nel margine superiore: con i computer più potenti si possono fare simulazioni sempre più accurate. D’altro canto c’è anche una democratizzazione della ricerca, perché aumenta anche la potenza di calcolo dei computer di fascia bassa. Quando ho iniziato a occuparmi di questi studi, c’erano pochissimi posti nel mondo dove si potevano eseguire queste simulazioni. Oggi quei risultati si possono ottenere anche con un semplice laptop. D’altronde non c’è solo la potenza di calcolo.

Ah, no? In effetti, messa così, sembra quasi che sia solo questione di forza bruta. E allora ci si chiede dove stia l’intelligenza umana, se si tratta solo di aumentata potenza delle macchine.

La potenza di calcolo è importante, perché il mondo è complicato, il numero di atomi da simulare è sempre più grande e il tempo durante il quale seguire il sistema sempre più lungo, se si vogliono ottenere applicazioni interessanti. Però, per quanto cresca in maniera esponenziale la potenza di calcolo, anche i bisogni diventano sempre più grandi. Perciò un elemento fondamentale nelle simulazioni è lo sviluppo di algoritmi innovativi intelligenti che, data la potenza di calcolo, consentono di svolgere i calcoli ancora più in fretta. Ecco, questo è stato ed è importante quanto… e forse anche più dell’aumento della potenza di calcolo.

Ma poi tutto questo quali ricadute concrete ha? Perché va bene la simulazione, ma poi le esigenze tecnologiche e quotidiane sono concrete, reali.

Le ricadute nella vita di tutti i giorni sono infinite. Pensi solo al computer qui davanti. Molti suoi elementi sono frutto di studi che hanno impiegato simulazioni sui materiali. Pensi alla borsa in plastica per la spesa. Sono le simulazioni che ci hanno mostrato come si comportano i polimeri. Siamo circondati da materiali intelligenti di ogni tipo e specie. Non c’è oggetto che ci circondi che non inglobi qualche materiale sofisticato. E le simulazioni hanno giocato un ruolo centrale nel guidare gli esperimenti verso la comprensione e nel proporre nuove idee per lo sviluppo di questi materiali. E poi c’è il grande ambito della farmacologia.

Perché?

Pensi allo scopo di un farmaco: colpire e distruggere un organismo… per esempio un batterio o un virus… dannoso per la salute umana. Supponiamo che io voglia colpire e distruggere un enzima di quell’organismo, cioè uno dei minuscoli laboratori chimici nei quali si formano e si disfano le molecole. Ecco, se io riesco a bloccare quell’enzima, sono a cavallo. Allora, data la struttura nota delle proteine, posso disegnare dei farmaci che vadano a bloccare il funzionamento di quello specifico enzima. E’ un po’ come buttare un cacciavite dentro un ingranaggio.

E in questo il computer che c’entra?

C’entra, perché si effettua prima una simulazione e poi si fa l’esperimento in vitro.

Quindi alle fasi tradizionali della sperimentazione farmacologica si è aggiunta, prima di tutte le altre, quella della simulazione.

Prima ancora della sperimentazione in vitro, il computer interviene in maniera pesante. Dapprima con modelli più rozzi, che sono man mano raffinati quando le molecole vengono disegnate al computer. Solo in seguito si passa al laboratorio, con la sperimentazione in vitro, poi sulle cavie e infine sulle persone.

Facile immaginare il risparmio.

Guardi, le molecole potenzialmente interessanti sono tantissime. Per questo è essenziale capire, prima ancora di operare in laboratorio, quali siano le più promettenti.

Simulazione di chimica computazionale

Lei lavora anche con l’industria privata?

Al momento non tantissimo. Però ho avuto una lunga storia di collaborazioni con diverse industrie chimiche, specie quand’ero in Germania. Sono sempre esperienze interessanti, perché le esigenze industriali sottopongono problemi molto difficili e molto stimolanti, che fra l’altro consentono di confrontarsi con le applicazioni.

Passiamo ora alla sua storia personale. Oggi siamo qui, in questo bell’ufficio con vista su Lugano. Lei com’è arrivato fin qui?

E’ una storia un po’ lunga, segnata da una serie di circostanze favorevoli. Ero direttore al Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, dove mi trovavo bene. Però sono e mi sento di cultura e di lingua italiana. Perciò avevo voglia di riavvicinarmi al mio Paese, alla mia cultura. A un certo punto mi si è presentata l’occasione di venire qui, l’ho colta e… beh, alla fine mi ci sono trovato bene.

Lei però dovrebbe essere in pensione, dico bene?

Sì, fino a 65 anni sono stato professore di scienze computazionali al Politecnico Federale di Zurigo. Quella è l’età alla quale il Poli di solito manda in pensione i propri professori… ma con qualche eccezione. E io ho approfittato della Lex Wüthrich.

La Lex Wüthrich?

Sì, è una legge promulgata alcuni anni fa, quando si presentò il caso di Kurt Wüthrich, svizzero e Premio Nobel per la Chimica. Anche lui era sulla soglia della pensione. Il “Blick” lo intervistò e scoprì che lui si era già organizzato una vita in California dopo la pensione. Naturalmente la faccenda fece molto scalpore, perché la Svizzera avrebbe perso una figura scientifica di grande eccellenza. Sotto la spinta della pressione popolare, il Parlamento promulgò questa legge… la Lex Wüthrich, appunto… secondo la quale si possono concedere, in casi eccezionali, delle deroghe al pensionamento. Io ho avuto la fortuna di poterne beneficiare, perciò oggi sono formalmente ancora professore di scienze computazionali al Poli e anche presso l’Università della Svizzera Italiana. Però di fatto sono dispensato dall’insegnamento e faccio solo ricerca.

E l’insegnamento non le manca?

Dell’insegnamento a me piaceva soprattutto il contatto con i giovani. E questo ce l’ho ancora, perché nel mio gruppo ci sono tanti studiosi giovani. E selezionati, perché lavoro con i più brillanti.

E’ un gruppo grande?

Una ventina di elementi.

Con quanti posti permanenti?

Nessuno.

Nessuno?

No, nessuno. D’altronde sarebbe assurdo se ne avessi. A 70 anni ci sarà comunque una transizione di fase, anche con la Lex Wüthrich.

Ma la mancanza di posti permanenti non è un limite per questi ragazzi, che non riescono mai a sistemarsi?

In effetti non sono molti i centri di eccellenza che offrono incarichi fissi. A Stoccarda, per esempio, a parte rare eccezioni, non ce n’erano. Però le dirò che tutti i miei ragazzi presto o tardi una sistemazione la trovano. Di gente a spasso non ne conosco. E sono posti anche prestigiosi, sia a livello accademico sia nell’industria privata.

Qual è il rapporto che rimane con gli ex studenti e collaboratori che poi vanno per la propria strada e diventano colleghi?

E’ come una specie di famiglia allargata, anche perché si stabilisce un rapporto umano molto forte. E’ uno dei privilegi del mio mestiere: mantenersi sempre in contatto con i giovani.

Lei ha detto che desiderava riavvicinarsi alla cultura del suo Paese. Ora, la frontiera è qui a pochi chilometri. Perché non ha compiuto quell’ultimo passo?

Per mantenere l’equilibrio fra due esigenze. Una, appunto, era quella di riavvicinarmi alla cultura dalla quale provengo. E l’altra di non abbandonare l’organizzazione e la sicurezza dei finanziamenti e insieme anche lo status sociale del ruolo di professore, che posso trovare nel mondo accademico svizzero e tedesco. Il Canton Ticino fa parte del sistema svizzero, dove trovo le stesse condizioni di supporto alla ricerca, di qualità della vita e di semplificazione burocratica. La qualità del sistema accademico e anche della vita è rimasta la stessa. Se fossi tornato in Italia avrei dovuto combattere con la penuria di risorse per la ricerca, con la burocrazia che non funziona, con tutte le difficoltà e i problemi che affliggono la vicina Repubblica. In conclusione, quei pochi chilometri fanno ancora una grossa differenza.

Il secondo da sinistra è Michele Parrinello. Il secondo da destra è Paul Adrien Maurice Dirac (PAM, per gli amici).

Da ultimo, una curiosità… Con Roberto Car, lei ha vinto la prestigiosa Medaglia Dirac. D’altronde c’è anche una foto che ritrae Michele Parrinello proprio con lui, con Paul Dirac in persona…

Ah, quella! (Ride.) Guardi, fu un puro caso. Ero all’International Centre for Theoretical Physics di Trieste: un istituto molto famoso, nel quale si incontrano ricercatori di tutto il mondo e che ha come scopo il dialogo fra gli scienziati dei Paesi più avanzati e quelli dei Paesi in via di sviluppo. Spesso all’ICTP passano in visita grandi nomi della scienza e anche Premi Nobel, ed è un privilegio poterli conoscere. Io ho avuto la fortuna e il piacere di poterne incontrare qualcuno. E insomma una mattina è successo che davanti all’edificio dell’ICTP c’era un gruppo di persone che stava scattando delle foto con Dirac. C’era anche un mio amico, che mi ha chiamato per partecipare e… beh, io non ho esitato nemmeno un momento.