Dai blue jeans alle celle solari
Il saggio alla perla di borace è stato eseguito, ma nessuna traccia di blu nella fiamma. Dunque non c’è cobalto. Meglio così … anche se, come dice Paoloalbert, quella degli antociani estratti dal cavolo sembra una spiegazione ad usum populi, invitandomi a considerare la possibilità che si tratti di un altro pigmento: la cuproftalocianina, la cui formula di struttura è mostrata a lato. Paoloalbert scrive: “La Cuproftalocianina si presenta come una polvere di un bel blù-violaceo profondo; è del tutto insolubile in acqua ma in essa vi si disperde facilmente come fosse solubile, con colore blù o azzurro se molto diluita. La Cuproftalocianina è un pigmento di grandissimo potere colorante e si attacca tenacemente a tutto quello con cui viene in contatto, perfino il vetro dei becker. Ftalocianine laser-sensibili vengono usate come materiale sensibile nei CD/DVD perchè devono garantire stabilità per molti anni. Clorurando profondamente la molecola (in totale 16 atomi di cloro negli anelli benzenici) si ottiene il verde ftalocianina, mentre altre ftalocianine si ottengono sostituendo il rame con altri metalli di transizione”. Vi invito a visitare il suo blog per i dettagli sulla sintesi, comprese le foto del pigmento ottenuto. Purtroppo nel laboratorio di scuola proprio non saprei come verificare se di ftalocianine si tratta …al mio collega sembra strano che le solubilissime antocianine, pur essendo nelle maglie di una struttura vetrosa, non colorino neppure pallidamente l’acqua nella quale abbiamo immerso i cristalli triturati molto finemente, neanche ad alte temperature! Effettivamente viene da pensare alle resistenti ftalocianine: non a caso queste sono usate per colorare di blue jeans; e quelli di qualità, lo sappiamo bene, non stingono se non dopo numerosi lavaggi. Le numerose modifiche che possono essere apportate alla struttura delle ftalocianine (cambiando il metallo centrale o inserendo sostituenti sugli anelli aromatici) consentono di ottenere numerosi pigmenti di varie tonalità del blu e del verde; questo presuppone interazioni con alcune componenti della luce solare che permettono di assorbirne parte dell’energia, ottenendo in risposta una relativa emissione energetica nel campo del visibile.
Una curiosa somiglianza
Esaminiamo ora la molecola a destra: come vedete la struttura è simile a quella delle ftalocianine; infatti impartisce un colore verde, il colore della natura per eccellenza, dalle grandi foreste alle “erbacce” di città che gli studenti della collega prof.ssa Scapellato hanno fotografato. A differenza delle ftalocianine si tratta di una molecola naturale: è infatti la clorofilla, precisamente uno dei possibili tipi, la clorofilla c1. Come vedete la molecola ha una struttura ad anello al centro del quale c’è un atomo di magnesio, che ha la funzione di mantenere la struttura rigida per evitare che l’energia solare si disperda sotto forma di calore prima che possa essere utilizzata per la fotosintesi. Sappiamo bene che le clorofille immagazzinano e utilizzano l’energia solare, anche se le complesse reazioni alla base della fotosintesi non sono state del tutto chiarite. Tuttavia quello che i ricercatori sanno sul processo fotosintetico ha consentito di utilizzare molecole simili alla clorofilla nello stoccaggio dell’energia solare: alla luce della somiglianza con le clorofille, non stupisce che le ftalocianine possano trovare impiego nei pannelli solari. Secondo uno studio della Cornell University pubblicato sulla rivista Nature Chemistry le molecole normalmente impiegate nei blue jeans e negli inchiostri colorati delle penne biro contribuirebbero ad abbattere i costi del fotovoltaico e renderlo ancora più economico, contribuendo alla creazione di celle solari flessibili e più economiche. I chimici che hanno condotto lo studio sono William Dichtel e Eric L. Spitler. Entrambi si occupano di chimica supramolecolare allo scopo di assemblare materiali nanostrutturati, come potete leggere nella breve panoramica delle tematiche di ricerca riportata sulla pagina del prof. Dichtel.
La fotosintesi in breve
Molti altri ricercatori cercano di imitare i processi naturali allo scopo di ottenere energia; ovviamente lo studio della fotosintesi è altamente promettente da questo punto di vista. In cosa consiste la fotosintesi in breve? Il processo della fotosintesi clorofilliana è costituito da un insieme di reazioni chimiche con le quali le piante verdi producono ossigeno e particolari sostanze chiamate carboidrati, principalmente glucosio, utilizzato da animali e piante come fonte di energia. Ossigeno e carboidrati sono prodotti a partire da anidride carbonica e acqua con l’aiuto della luce solare “catturata” da molecole di clorofilla, un pigmento presente nelle cellule vegetali. Il processo fotosintetico può essere schematizzato nel modo seguente:
Come abbiamo già detto, il complesso meccanismo della fotosintesi non è ancora completamente noto. Possiamo però descriverne sinteticamente i primi stadi:
1. La luce viene assorbita da un sistema organizzato di molecole di clorofilla, che acquistano energia.
2. L’energia viene trasferita all’interno del sistema molecolare organizzato e convogliata, come in un’antenna, in un sito specifico detto “centro di reazione”.
3. In questo sito l’energia viene utilizzata in tempi estremamente brevi (dell’ordine del picosecondo, 10-12 s).
4. Il processo continua con una serie incredibilmente complessa di reazioni che portano ai prodotti del mondo vegetale.
La fotosintesi artificiale
La quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, pari a circa sei volte l’attuale consumo energetico mondiale. Questo ha indotto gli scienziati a interrogarsi sulla possibilità di utilizzare l’energia solare per realizzare una fotosintesi artificiale, tramite la quale produrre combustibili. Come nella fotosintesi naturale, le reazioni chimiche di un analogo processo artificiale devono essere perfettamente organizzate:
- nello spazio (occorre rispettare le distanze fra molecola e molecola);
- nel tempo (alcune reazioni devono essere più veloci di altre ed avvenire in tempi brevissimi);
- nell’utilizzo dell’energia (ogni stadio deve utilizzare una determinata porzione dell’energia fornita dalla luce solare).
Partendo da queste considerazioni, gli scienziati stanno puntando a realizzare processi di fotosintesi artificiale per vari scopi, ad esempio per realizzare una reazione di decomposizione fotochimica dell’acqua in idrogeno e ossigeno:
Questo processo permetterebbe di “iniettare” energia sotto forma di luce solare nell’acqua, molecola abbondantissima sulla Terra, per ottenere idrogeno (combustibile) e ossigeno (comburente) senza produrre inquinamento chimico. Per raggiungere l’obiettivo i chimici sono al lavoro per sintetizzare molecole simili alla clorofilla naturale (come le ftalocianine) e particolari catalizzatori. In questo modo sarà possibile realizzare reazioni che procedono secondo determinati criteri in termini di spazio, tempo, energia. L’idrogeno e l’ossigeno prodotti potrebbero quindi sopperire alle fonti energetiche in via di esaurimento come i combustibili fossili.
Per approfondire:
In occasione dell’Anno Internazionale della Chimica, l’Università di Torino ha dedicato alcune pagine all’attività del prof. Vincenzo Balzani, uno dei chimici più citati al mondo, utili per introdurre gli studenti alle definizioni di “chimica supramolecolare” e “nanotecnologia”. Il prof. Balzani si è dedicato alla fotochimica, alla chimica supramolecolare, alle macchine molecolari e all’aspetto chimico della nanotecnologia, come dimostrano le tematiche del suo gruppo di ricerca. Il professore ha compiuto ricerche nel campo della fotosintesi artificiale, cercando di richiamare l’attenzione sull’incombente crisi energetica e sulla necessità di trovare fonti di energia rispettose dell’ambiente.
Congegni e macchine a livello molecolare – interessantissimo articolo scritto da Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Margherita Venturi. Da notare il titolo dell’ultimo paragrafo: Chimica supramolecolare, arte e nanotecnologia.
Se ho una scarpa un po’ rotta. Invito ad un consumo consapevole - Riflessione di Nicola Armaroli e Vincenzo Balzani sulla crisi energetica contenuta nel numero di novembre de L’alambicco – Distillato di notizie su chimica e società
La fotosintesi: un sistema redox per la vita – Articolo del microbiologo Salvatore Caiazzo ospitato sul sito di Chimicare, associazione culturale per la divulgazione della cultura chimica
