Premio Nobel 2013 : Chimica

large-nobel-chemistry-medal
 

Lunedì 7 ottobre 2013 è stato assegnato il premio Nobel per la chimica a tre ricercatori per l’elaborazione di modelli multiscala per sistemi chimici complessi (“for the development of multiscale models for complex chemical systems”).  L’obiettivo alla base del lavoro di Martin Karplus, Michael Levitt e Arieh Warshel può essere riassunto in una semplice frase: creare un programma informatico capace di simulare reazioni chimiche e fornire dei risultati il più possibile esaustivi.

Martin Karplus (immagine tratta da Slate  Francia).

Martin Karplus (immagine tratta da Slate Francia).

Per comprendere l’importanza del lavoro dei tre ricercatori si provi a pensare che X si muova dal punto A al punto B in un determinato spazio di tempo; ciò che interessa è sapere come X agisce, quale percorso può fare e perché può essere solo quel tipo di percorso. Presupponiamo quindi che X prenda la macchina e si rechi a lavoro, ossia da casa all’ufficio, da A a B; sebbene i due punti possano essere uniti da una semplice retta in linea d’aria, sappiamo bene che tale condizione non si presenta quasi mai e che, anche nel caso in cui fosse possibile, non avremo mai la sicurezza completa che il tragitto duri un determinato ed esatto spazio di tempo (5 e solo 5 minuti, ad esempio), e saremo quindi costretti a parlare di media (circa 5 minuti).  Se volessimo però arrivare a un risultato preciso, dovremmo per forza di cosa tenere conto di tutte le variabili esistenti  come il tipo di macchina, lo stato delle gomme o lo stato del motore; addirittura, se dovessimo concentrarci sul tipo di strada dovremmo controllarlo centimetro per centimetro poiché ovviamente nessuna strada è uguale in ogni sua parte ed ogni variazione può provocare un piccolo, microscopico cambio.

Michal Levitt (immagine tratta da The Guardian)

Michal Levitt (immagine tratta da The Guardian)

Continuiamo con l’esempio preso in considerazione. Già a prima vista possiamo comprendere come un calcolo di tali dimensioni richieda l’utilizzo di macchinari (leggasi computer) e programmi precisi; ovviamente, più potente è il macchinario, più veloce sarà il processo di calcolo. Mettiamo però in conto che una delle tante variabili sia legata allo stato fisico del conducente X e che per sapere tale stato fisico sia necessario avere non solo una sua ben precisa cartella clinica ma anche quella dei suoi genitori; ovviamente non basta poiché il nostro conducente si trova su una strada frequentata da altre macchine, per cui è anche necessario sapere lo stato fisico degli altri conducenti (per assurdo, se davanti a X abbiamo la persona Y che soffre di miopia e che quel giorno ha dimenticato gli occhiali, per arrivare al nostro risultato dovremo tenere in conto di questo elemento). Quanto maggiori siano i dati e quanto maggiore sia la richiesta di una simulazione precisa, tanto maggiore sarà la potenza di calcolo richiesta.

Arieh Warshel (immagine tratta da Reuters)

Arieh Warshel (immagine tratta da Reuters)

Nel caso specifico delle simulazioni delle reazioni chimiche, prima di Karplus, Levitt e Warshel la questione si riduceva a due possibilità: o ci si basava sulla fisica classica Newtoniana (in grado di lavorare su un vasto numero di molecole ma incapace di simulare reazioni chimiche e quindi in grado di mostrare lo stato dei componenti studiati prima e dopo la reazione stessa ma non nel mentre) o ci si rivolgeva alla fisica quantistica (capace di simulare realisticamente le reazioni chimiche ma troppo dispendiosa e quasi del tutto proibitiva dal punto di vista di risorse informatiche necessarie). Ovviamente i tre ricercatori non si sono lasciati scoraggiare e, sin dagli anni ’70, si sono prodigati a sviluppare un programma capace di unire i due metodi: il modello quantico viene così usato solo per gli elettroni ed i nuclei atomici direttamente interessati nel processo di reazione, mentre tutte le altre parti delle molecole vengono “lette” secondo il modello newtoniano. Ciò che ne risulta è la possibilità di focalizzare la “forza lavoro” dello strumento (computer) solo dove risulti necessaria, diminuendo la richiesta totale di potenza ed aumentando la velocità di calcolo.

Esemplare di Golem, ossia uno dei vari computer usati negli anni '70 da Warshel e Levitt durante le prime fasi del loro progetto. (immagine tratta da scienceblogs).

Esemplare di Golem, ossia uno dei vari computer usati da Warshel e Levitt durante le prime fasi del loro progetto (immagine tratta da scienceblogs)

Tornando al nostro esempio, se volessimo simulare il tragitto A-B con il procedimento Karplus-Levitt-Warshe non saremmo costretti a tenere in conto ogni minima variazione od ogni minimo dato, bensì solo quelli che vanno ad influire direttamente sull’operato di X. Ai fini del nostro calcolo, ad esempio, non ci interessa sapere che la vettura utilizzata sia rosso pompeiano, rosso mattone o rosso valentino: basterà classificarla come “rossa” (ovviamente solo nel caso in cui il colore abbia un preciso valore ai fini della nostra simulazione).  Se il nostro conducente X si trova su una autostrada a tre corsie e per tutto il tragitto si muove solo su quella di destra, poco ci importerà sapere tutti i dettagli possibili delle altre due; ai fini del nostro calcolo, anche in questo caso, basterà semplicemente dire che la corsia centrale e quella di sinistra erano completamente occupate da altre vetture senza entrare nel dettaglio delle vetture stesse, diminuendo così il carico di lavoro complessivo.

 

Post Scriptum : l’immagine di copertina è tratta dal seguente sito.