Potrebbe non essere la branca della scienza più familiare a tutti, ma la cristallografia è una delle tecniche più importanti che conosciamo, perché per aiutare a comprendere il mondo che ci circonda. La cristallografia può rivelare la struttura atomica di qualsiasi cosa, o quasi. E gli studiosi usano questa conoscenza per comprendere il motivo per cui le cose si comportano in un certo modo.
Ad esempio, la cristallografia rivela perché i diamanti sono duri e lucenti e perché il sale si scioglie in bocca. Ma la tecnica non si limita a guardare i cristalli presenti in natura. Quasi tutti i materiali possono essere cristallizzati. Ciò significa che la cristallografia può essere utilizzata per capire come il sistema immunitario combatte i virus. Oppure può essere utilizzata dai rover spaziali per cercare indizi di vita nei campioni di suolo marziano.
La scoperta della cristallografia
La scoperta della cristallografia risale al 1912. Il fisico tedesco Max von Laue e i suoi colleghi stavano sperimentando misteriosi raggi X – gli scienziati non erano ancora del tutto sicuri se fossero onde elettromagnetiche come la luce e le onde radio – su vari cristalli. Facendo brillare i raggi X attraverso i cristalli e registrando la dispersione di radiazioni su lastre fotografiche, fecero due scoperte sorprendenti. La prima era che i raggi X si diffrangevano, o si diffondevano, dimostrando che i raggi X erano onde. In secondo luogo, questi raggi si diffrangevano in particolari direzioni a seconda della natura del cristallo.
Molti videro i risultati di von Laue come una prova del fatto che gli atomi sono disposti a forma di reticolo nei cristalli. Ciò significava che i cristalli consistevano in uno schema di gruppi identici di atomi ripetuti periodicamente. Ma ci sono voluti William Henry Bragg e William Lawrence Bragg per dimostrarlo. Essi hanno mostrato che i risultati avevano un significato molto più profondo. Attraverso teoria ed esperimento, nel 1913 i Bragg scoprirono che i raggi X potevano essere usati per determinare con precisione la posizione degli atomi all’interno di un cristallo. Dimostrarono la potenza della loro tecnica svelando la struttura cristallina tridimensionale di un diamante.
Divenne presto chiaro che la struttura cristallina governa la maggior parte delle proprietà fisiche della materia. Eppure la tecnica di Braggs funzionava solo sui grandi cristalli presi singolarmente.
Nel 1916, Peter Debye e Paul Scherrer trovarono una soluzione a questo problema. Il loro metodo a polvere permise di analizzare cristalli molto più piccoli. In combinazione con i progressi nei metodi di analisi e nuovi modi di cristallizzare vari materiali, la cristallografia a raggi X era pronta per diventare uno strumento centrale per decifrare i misteri del mondo che ci circondava.
La cristallografia incontra la biologia
Nessun altro settore ha beneficiato di questa scienza, più della medicina. E nessuno più di Dorothy Hodgkin ha contribuito al suo sviluppo.
Nella sua lunga e illustre carriera, Hodgkin sviluppò tecniche – applicate ancora oggi – che utilizzò per risolvere le strutture di numerose complesse molecole biologiche. Tra questi c’era anche la penicillina nel 1946, un’intuizione cruciale che ha dato il via alla creazione del trattamento antibiotico e dell’insulina nel 1969, che ha aiutato a capire e curare il diabete.
Altrove, utilizzando i dati della cristallografia, Rosalind Franklin, James Watson e Francis Crick hanno scoperto la struttura cristallina a doppia elica del DNA nel 1953. Il loro modello serve a spiegare come il DNA si replica e come le informazioni ereditarie sono codificate su di esso.
Meno di un decennio dopo, John Kendrew e Max Perutz furono i primi a elaborare il funzionamento interno delle proteine. Da allora, le strutture cristalline di decine di migliaia di proteine sono state determinate utilizzando la cristallografia a raggi X.
Insieme, questi progressi nella metà del 20° secolo hanno posto le basi per la cristallografia di oggi, che comprende come vengono messe insieme strutture biologiche complesse e minuscole, per trovare nuovi modi per curare le malattie.
Applicazione della cristallografia a raggi X
La cristallografia a raggi X rimane una tecnica cruciale per questa missione. Ma ne sono stati aggiunte altre per ottenere ulteriori informazioni sulle molecole biologiche. Una di queste utilizza la radiazione di sincrotrone. Essenzialmente, questa è sempre cristallografia a raggi X, ma il raggio di raggi X estremamente potente viene prodotto rallentando gli elettroni o i positroni, che viaggiano in un acceleratore di particelle.
Oltre ai sincrotroni, altre due forme di cristallografia possono sondare le molecole in modi diversi: diffrazione di neutroni e diffrazione di elettroni. Usando la proprietà quantistica della dualità onda-particella, funzionano entrambi allo stesso modo della cristallografia a raggi X, ma con neutroni ed elettroni che sostituiscono i raggi X.
Anche con la risonanza magnetica nucleare, i ricercatori hanno un arsenale di modi diversi per esaminare le molecole che compongono le cellule di un organismo. Uno dei principali e più recenti risultati ottenuti con questo approccio, lo hanno ottenuto Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz e Ada Yonath. Il trio è riuscito a determinare la struttura del ribosoma, una particella complessa responsabile della produzione di tutte le proteine nelle cellule viventi, e il modo in cui gli antibiotici la distruggono. Questa intuizione aiuterà a contrastare la crescente resistenza dei batteri agli antibiotici che Dorothy Hodgkin ha contribuito a rendere possibile oltre 60 anni fa.
Questioni materiali
I risultati della cristallografia non si sono limitati al miglioramento della salute umana. È diventata la tecnica principale per studiare la struttura atomica dei materiali e come questa si collega alle loro proprietà.
Le applicazioni spaziano dalla misurazione della deformazione dell’ala di un aereo alla conservazione dell’ammiraglia di re Enrico VIII, la Mary Rose.
E la cristallografia è anche un mezzo per scoprire e caratterizzare nuovi materiali. Nel 1982 il cristallografo Dan Shechtman scoprì un cristallo insolito che era ordinato, ma non periodico. Chiamandolo “quasi cristallo”, questo nuovo tipo di cristallo è stato utilizzato da allora in strumenti chirurgici, luci a LED e padelle antiaderenti. Più di recente, i cristallografi hanno analizzato la struttura di nuovi materiali bidimensionali come il grafene, aiutando a spiegare le loro proprietà uniche e spesso utili.
Dato che la maggior parte, se non tutte, le più grandi sfide del mondo saranno affrontate sviluppando nuovi materiali e acquisendo una migliore comprensione dei processi a livello atomico, la cristallografia rimarrà uno strumento centrale per gli scienziati di tutto il mondo.