This blog post was first published in the sister blog Wonderverse
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When I was a kid, playing with LEGO was one of my favorite games. I was deeply fascinated by the seemingly endless possibilities for creation, starting from a relatively small set of simple building blocks. Growing up I found a similar sense of fascination and creativity studying chemistry and later on as a professional research chemist.
Just like with LEGO in a sense, chemists ‘fabricate’ (synthesise) new molecules in their labs starting from simpler and smaller components (molecules or atoms). Fascinating and sophisticated new structures are continuously being made to satisfy our needs for new drugs, materials etc. It is very difficult to say how many brand-new molecules have been made by humans up until now. According to the Chemical Abstract Service, there are more than 90 million (!) unique chemical substances out there and the list keeps growing…
Making new molecules is at the same time an exciting and sometimes frustrating job. The Italian Jewish chemist and novelist Primo Levi (the 100th anniversary of whose birth we celebrate this year) very poignantly expresses his experience in his book ‘The Wrench’:
But we are still blind, even in the best circumstances, that is, with structures that are simple and stable. Blind, and we don’t have those tweezers we often dream of at night, the way a thirsty man dreams of springs, that would allow us to pick up a segment, hold it firm and straight, and paste it in the right direction on the segment that has already been assembled. If we had those tweezers (and it’s possible that, one day, we will), we would have managed to create some lovely things that so far only the Almighty has made, for example, to assemble – perhaps not a frog or a dragonfly – but at least a microbe or the spore of a mold.’
Primo Levi, The Wrench (1978)
At the molecular level, when more molecules or elements come together in the right way (react) they form a new compound. However, unlike with LEGO, when we play with matter at that level often something quite remarkable and unpredictable can happen. Sometimes, some of the properties of the new molecule that has been synthesized are not in a direct relationship with those of its constituents.
Take for example the molecule of water (H2O). This is made up of just one atom of oxygen (O) linked to two atoms of hydrogen (H) at an angle of around 105°. Now, both hydrogen and oxygen are present in nature (under normal conditions) in the gaseous state and are flammable. Yet, once the two fiery components react together, they form a molecule of water, which is a liquid (and no longer flammable). Other properties like the temperature at which water will boil (boiling point) or freeze (freezing point) are not deducible from the characteristics of hydrogen and oxygen.
This observation, along with a range of other phenomena in nature, has made scientists appreciate that when we move from one level of complexity to another in nature, we often come up against some emergent properties, that is, new properties that are linked to the properties of the level below and yet are also somehow unpredictable and new.
In this respect, chemistry occupies a strategic position in science as it lies at an intermediate level of complexity just above the objects studied by physics and below those of biology. We might come back to some other interesting examples when we move just beyond the level of molecules in a following post.
With this, I am not at all arguing for some sort of ‘magic’ present in nature. Chemists keep successfully producing new molecules relying on the reasonable assumption about their properties starting from the constituent building blocks. However, any chemist would also know from experience that often new properties emerge whenever we synthesise a new compound. In other words, it looks like nature behaves in a way far more complex than LEGO and that even a molecule is more than ‘just-a-bunch-of-atoms’.
Un sorprendente mondo mondo LEGO
Quando ero piccolo amavo giocare con i mattoncini LEGO. Ero profondamente affascinato dalle apparenti infinite possibilita’ di costruzione a partire da un relativo piccolo gruppo di semplici mattoncini. Crescendo ho trovato un simile senso di fascino e creativita’ studiando chimica e piu’ tardi come un professionista ricercatore.
Proprio come con succede con I LEGO, in un certo senso i chimici “fabbricano” (sintetizzano) nuove molecole nei loro laboratori a partire da componenti piu’ piccoli e semplici (molecole o atomi). Affascinanti e sofisticate nuove strutture sono continuamente create per soddisfare le nostre necessita’ per nuovi farmaci, materiali etc… E’ molto difficile dire quante nuove molecole sono state create dagli essere umani fino ad oggi. Secondo Chemical Abstract Service, ci sono piu’ di 90 milioni (!) di sostanze chimiche e la lista e’ in continua crescita…
Creare nuove molecole e’ un lavoro allo stesso tempo eccitante e frustrante. Il chimico e novelista di origine ebrea Primo Levi (di cui celebriamo il centenario dalla nascita proprio quest’anno) molto espressivamente cattura la sua esperienza a questo proposito nel libro “la chiave a stella”:
Ma siamo sempre dei ciechi, anche nel caso migliore, cioè che la struttura sia semplice e stabile: ciechi, e non abbiamo quelle pinzette che sovente ci capita di sognare di notte, come uno che ha sete sogna le sorgenti, e che ci permetterebbero di prendere un segmento, di tenerlo ben stretto e dritto, e di incollarlo nel verso giusto sul segmento che è già montato. Se quelle pinzette le avessimo (e non è detto che un giorno non le avremo) saremmo già riusciti a fare delle cose graziose che fin adesso le ha fatte solo il Padreterno, per esempio montare non dico un ranocchio o una libellula, ma almeno un microbo o il semino di una muffa.
Primo Levi, La chiave a stella(1978)
A livello molecolare, quando piu’ molecule o elementi si uniscono nel modo giusto (reagiscono) si forma un nuovo composto. Ma, a differenza del LEGO, quando trattiamo con la materia a questo livello spesso qualcosa di straordinario e imprevedibile puo’ succedere. Alle volte, alcune delle proprieta’ della nuova molecola che e’ stata sintetizzata non sono in relazione diretta con le proprieta’ dei suoi elementi costitutivi.
Prendiamo il caso della molecola d’acqua (H2O). Questa e’ fatta semplicemente di un atomo di ossigeno (O) a cui sono legati due atomi di idrogeno (H) formando un angolo di circa 105°. Adesso, sia l’idrogeno che l’ossigeno sono presenti in natura (in normali condizioni) allo stato gassoso e sono entrambi infiammabili. Tuttavia, una volta che i due focosi componenti reagiscono insieme, danno origine a una molecola d’acqua che e’ un liquido (e non e’ piu’ infiammabile). Altre proprieta’ come la temperatura a cui l’acqua bollira’ o congelera’ non sono deducibili dalle caratteristiche dell’idrogeno e dell’ossigeno da soli.
Questa osservazione, insieme con una gamma di altri fenomeni naturali, ha spinto gli scienziati a considerare il fatto che quando ci muoviamo da un livello di complessita’ a un altro in natura possiamo incontrare alcune proprieta’ emergenti, cioe’, proprieta’ che sono legate alle proprieta’ del livello inferiore e tuttavia sono rispetto ad esso in qualche modo impredicibili e nuove.
Da questo punto di vista la chimica occupa una posizione strategica nelle science perche’ si colloca a un livello intermedio di complessita’ appena al di sopra degli oggetti studiati dalla fisica e al di sotto di quello della biologia. Potremmo esplorare alcuni alcuni altri esempi di questo tipo quando ci muoviamo a un livello oltre a quello molecolare in un post successivo magari.
Con questo non voglio sostenere in alcun modo una specie di “magia” presente in natura. Noi chimici continuiamo a produrre con successo nuove molecole confidando sulla ragionevole assunsione sulle loro proprieta’ a partire dai costituenti condamentali. Tuttavia ogni chimico sa per esperienza che spesso nuove proprieta’ emergono ogni volta che sintetizziamo un nuovo composto. In altre parole, sembrerebbe che la natura e’ molto piu’ complessa del LEGO e che anche una molecola non puo’ essere considerata semplicemente come “nient’altro che un gruppo di atomi”.
Water & Wine 
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