Quest’anno…cristalli per tutti

Il 2014 é stato dichiarato anno internazionale della cristallografia dall’UNESCO. La Festa della scienza, che si svolge ogni anno a ottobre in Francia, ha ovviamente lo stesso tema. Come animare delle attività per bambini, ragazzi e adulti sulla cristallografia?

La scelta dell’UNESCO è giustificata dall’interesse crescente, soprattutto in termini di importanza delle applicazioni, di questa disciplina troppo poco conosciuta.

Cominciamo a capire a grandi linee cos’é un cristallo e come si forma con degli esempi e delle attività pratiche.

La prima cosa che mi viene in mente, e che é un gran classico, é di creare dei cristalli fatti in casa con materiali di tutti i giorni per vedere come si formano e osservarli da vicino (possibilmente al microscopio o almeno con una lente di ingrandimento).

Siccome un cristallo di sale o di zucchero ci mette qualche giorno a formarsi, la cristallizzazione non é molto interessante come esperienza se l’attività con il pubblico dura un’ora/un’ora e mezza. Al contrario é interessante in una classe dove gli alunni possono vedere la progressione giorno per giorno.

Ma come cresce un cristallo ? Ci sono diverse modalità ma la più facile da spiegare e da osservare in un tempo non geologico é la precipitazione. Il concetto é semplice: una soluzione sovrassatura di soluto, lo fa precipitare sotto forma di cristallo. Ad esempio una soluzione contenente tra 250 g e 350 g di sale da cucina disciolti in 1 litro di acqua bollente cristallizza in due o tre giorni se se ne mette uno strato sottile su un supporto, ad esempio una piastra di Petri (vedi foto). Se si immerge un filo nella stessa soluzione, i cristalli si sovrappongono formando una specie di cordoncino di cristalli, ma ci vorranno diverse settimane.

Ed ecco il risultato

Si puo’ aggiungere un po’ di colorante alimentare

La cristallizzazione di una soluzione di zucchero (saccarosio) é molto più lenta. Si puo’ osservare inoltre che i cristalli di sale sono cubici e quelli di zucchero no, e questo dovrebbe sollevare delle questioni e stimolare la curiosità.

Vediamo cosa si puo’ dire della forma dei cristalli.

Per conoscere utilizziamo i sensi. Fin dall’antichità gli uomini sono attirati dai cristalli perché sono gradevoli alla vista. Ma perché sono belli? I cristalli ci piacciono perché sono colorati, traslucidi, brillanti ma soprattutto perché hanno precise forme geometriche. Mostrare esplicitamente la corrispondenza tra le forme dei cristalli e dei modellini tridimensionali di solidi puo’ dare una chiave di lettura, o quantomeno suggerire uno sguardo differente.

Come mai i cristalli hanno queste forme regolari ? Per cercare una risposta bisogna indagare la relazione tra la forma esterna e la struttura interna.

Gli atomi, le molecole o gli ioni (le piccole parti che compongono il cristallo) non occupano posizioni casuali ma sono disposte in una maniera perfettamente ordinata e periodica nello spazio che determina delle figure geometriche a livello macroscopico.

Un po’ come le palline di questa foto che occupano posizioni ordinate e che formano insieme, a seconda del caso, un parallelepipedo o una piramide.

La posizione degli atomi é determinata dalla natura chimica del cristallo (distanza tra gli atomi, tipo di legame, carica elettrica, geometria molecolare ecc) e anche dall’esigenza di compattezza della struttura formata. Gli atomi si dispongono in modo da occupare il minor spazio possibile e da riempire gli interstizi. Una struttura molto compatta é, ad esempio, la piramide. Percio’ si ritrova questa struttura sui banchi dei fruttivendoli e nei depositi di palle di cannone.

Naturalmente il discorso é molto più complesso, non ho la pretesa di dare una spiegazione esaustiva. Chi vuole puo’ approfondire con attività sulla geometria e la matematica (per esempio parlare dei numeri piramidali). Per esperienza posso dire che la costruzione della piramide di palline piace molto!

Non esistono solo cristalli dalla bella forma geometrica e dalle facce lisce e brillanti. Altri cristalli sono come dei piccoli granelli di sabbia mescolati insieme. Questo perché non hanno avuto lo spazio per accrescersi ma si sono sovrapposti gli uni agli altri impedendo lo sviluppo di una bella forma.

Esistono poi anche solidi non cristallini, cioé in cui gli atomi non hanno delle posizioni ordinate, per esempio il vetro e alcuni tipi di plastica. Infatti da alcuni non sono considerati veri solidi ma liquidi con una viscosità molto elevata.

Si puo’ affermare che un cristallo é una formazione solida, ma preferisco la definizione del cristallo come uno stato della materia. Cio’ introduce il concetto che anche “oggetti” che normalmente non sono solidi (come proteine, DNA, ecc.), possono essere cristallizzati in certe determinate condizioni.

Ed é questo che ha reso possibile l’utilizzazione delle tecniche di cristallografia nello studio della biologia. Perché la cristallografia é si lo studio dei cristalli, ma é anche una tecnica che permette, grazie alla diffrazione dei raggi X attraverso un campione cristallino, di risalire alla struttura molecolare della sostanza analizzata.

Si irradia un cristallo con dei raggi X e si guarda come questi si diffraggono (passano attraverso e vengono deviati) e sono poi proiettati su una lastra fotografica. Inversamente si puo’ partire dal risultato ottenuto dalla diffrazione di una sostanza cristallizzata sulla lastra per dedurne la sua struttura.

Quest’anno ricorre il centenario di questa scoperta considerata attualmente lo strumento più potente per lo studio della struttura della materia. Sono già stati assegnati 23 premi Nobel legati alla cristallografia. Tra questi c’é quello del 1962 assegnato a Watson, Crick e Wilkins per la scoperta della struttura a doppia elica del DNA, grazie all’essenziale apporto di Rosalind Franklin sotto forma di una fotografia scattata con la tecnica della cristallografia a raggi X. Parlero’ di Rosalind Franklin in un altro articolo.

Riassumendo, le spiegazioni sulla cristallografia a raggi X le riserverei ad un pubblico non troppo giovane; per quanto riguarda le attività pratiche (che ho sperimentato a partire da 8 anni) si possono far crescere ed osservare dei cristalli di sale e zucchero, toccare (e pesare, e annusare!) dei minerali e guardarli al microscopio, costruire dei modellini di cristallo con diversi materiali e perché no, fabbricare qualche paper toy a forma di gemma come questi nella foto.

Buon divertimento e buon anno della cristallografia!