Una supramolecola contro la legge di Coulomb?

Cariche simili si respingono e cariche opposte si attraggono: è una delle prime nozioni che si imparano quando si studia chimica e fa parte dell’ABC della materia. Ora la scoperta di una nuova struttura molecolare parrebbe entrare in contraddizione con questo assunto.
Un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Indiana, negli Stati Uniti, ha confermato sperimentalmente l’esistenza di una “supramolecola” costituita da due ioni entrambi carichi negativamente capaci di formare un legame chimico. La scoperta è rivoluzionaria, perché entrerebbe in conflitto con una legge secolare della chimica: la legge di Coulomb.

 

Com’è fatta la supramolecola

La supramolecola scoperta è costituita da una coppia di molecole a struttura ciclica con una cavità al centro in cui sono incastonati ioni carichi negativamente di solfato acido (HSO4) connessi da legame chimico, un legame idrogeno autocomplementare antielettrostatico. Secondo gli autori dello studio, condotti dalla ricercatrice Elisabeth Fatila, la repulsione a lungo raggio tra i due anioni sarebbe controbilanciata da attrazioni a corto raggio.

Supramolecola

Il legame tra i due solfati acidi (quelli in rosso incastonati nei macrocicli blu) visti da diverse prospettive (Immagine: Università dell’Indiana)


La supramolecola e la legge di Coulomb

I ricercatori ritengono che i legami chimici tra molecole di carica simile sarebbero possibili tra ioni di idrogeno, come il solfato acido. Anche se questo processo, chiamato dimerizzazione – ossia una reazione chimica per cui due molecole identiche si legano per darne una sola, chiamata dimero – quando riguarda ioni di carica opposta va contro ciò che predice la legge di Coulomb. Questa legge, riconosciuta da più di 200 anni, afferma che due molecole con la stessa carica esercitano una forza respingente l’una verso l’altra che impedisce la formazione di legami chimici; esattamente come due poli magnetici negativi, se avvicinati, tendono a respingersi.

 

Un nuovo campo di ricerca

L’ambito di ricerca a cui a cui fa capo la scoperta è quello della chimica supramolecolare. Questa branca della chimica, definita anche come «chimica oltre la molecola», è abbastanza recente e studia le forze intermolecolari che si creano tra molecole altamente complesse risultanti dall’associazione di più specie chimiche.

Lo studio, pubblicato su Angewandte Chemie International Edition, una tra le più prestigiose riviste scientifiche di chimica al mondo, potrebbe aprire tutto un nuovo campo di ricerca sia verso soluzioni applicative di queste supramolecole sia per l’impianto teorico fondante della chimica per come la conosciamo oggi.

Precisazione in seguito a una segnalazione

Secondo gli stessi ricercatori che hanno condotto l’esperimento, anche nelle supramolecole da loro studiate, la legge di Coulomb continua a essere valida. Qualcosa di nuovo, comunque, è stato registrato. Le molecole impiegate negli esperimenti hanno una struttura a forma di stella, da cui il nome cyanostar, il cui interno vi è un anello di atomi di idrogeno, come si vede in questo schema:

cyanostar

Struttura di una cynostar (Immagine tratta dal paper originale)

Questa struttura determina una sorta di “tasca” interna che ha una carica complessiva leggermente positiva. Secondo le intenzioni del team di ricerca, questo avrebbe dovuto servire a intrappolare ioni negativi. tra due cyanostar. Ma, nel caso del già citato solfato acido, gli ioni intrappolati sono stati due invece di uno solo. Qui sta il fenomeno che apparentemente vìola la legge di Coulomb, poiché due ioni carichi negativamente, invece di respingersi, possono stare l’uno a fianco dell’altro; il fenomeno è mostrato nel seguente schema, dove gli ioni di solfato acido sono rappresentati in giallo, rosso e bianco, all’interno delle cyanostar blu:

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Nella “trappola” così creata, la legge di Coulomb è rispettata, poiché le cariche negative dei due ioni solfato acido continuano a respingersi; trovandosi all’interno di tasche leggermente cariche positivamente delle supramolecole, tuttavia, quest’effetto di repulsione è affievolito al punto che si possono instaurare legami a idrogeno che impediscono ai due ioni con la stessa carica di allontanarsi (articolo aggiornato l’8 novembre, ore 17:44 – La Redazione).

 

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Immagine banner e box: Università dell’Indiana

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