COMPUTER DURISSIMA COQUIT

Insieme ad Antonietta Mira, professoressa di Statistica all'Università della Svizzera Italiana, Michele Parrinello, insigne scienziato, tra i più citati al mondo e che ha conseguito i più prestigiosi premi internazionali, sia nell'ambito della Fisica che della Chimica, sarà protagonista della lezione "Computer durissima coquit", che si terrà, presso la Casa della Cultura, il prossimo 27 febbraio.

L'incontro verterà su tematiche che sono realmente di frontiera e di ricaduta sulle nostre vite.

Una trasmissione radiofonica introdusse così Michele Parrinello: "C'è chi l'ha definito uno scienziato rivoluzionario, chi un intellettuale di scienza, chi ancora un ricercatore carismatico: di fatto Michele Parrinello è uno dei massimi esperti in scienza computazionale, ovvero in simulazione al computer. Studia cioè - appunto, simulandoli al computer - i comportamenti degli atomi e delle molecole."

Un'idea del contributo che Michele Parrinello ha fornito alla Scienza attuale, la possiamo ritrovare nelle parole di scienziati che, lo scorso autunno 2017, introdussero il convegno cerimonia che conferiva ufficialmente, per la prima volta fuori dagli Stati Uniti, il prestigioso premio Dreyfus per la Chimica, a Michele Parrinello: "I feel that in this moment I represent a vast community of scientists around the world, whose scientific endeavours and achievements rest on and have greatly benefited from the groundbreaking foundations Michele has provided" (In questo momento sento di rappresentare una vasta comunità di scienziati di tutto il mondo, le cui iniziative e successi scientifici si basano ed hanno grandemente beneficiato dei fondamenti pionieristici forniti da Michele) ed ancora: "The Dreyfus foundation has recognized Michele Parrinello's fundamental contribution to Science. His methods have permeated a wide range of disciplines, previously exclusive domain of the respective specialists, extending from Theoretical Chemistry, to Condensed Matter Physics, Material Science, Nanoscience, to Geophysics and Planetary Chemistry. (La fondazione Dreyfus ha riconosciuto il contributo fondamentale di Michele Parrinello alla Scienza. I suoi metodi hanno permeato una vasta gamma di discipline, precedentemente di dominio esclusivo dei rispettivi specialisti, estendendosi dalla Chimica Teorica alla Fisica della Materia Condensata, la Scienza dei materiali, le Nanoscienze, fino alla Geofisica ed alla Fisica Planetaria).

Le motivazioni addotte dalla stessa fondazione Dreyfus, assegnataria del premio riportano: "Michele Parrinello is a giant in the field, whose innovations are widely used in chemistry, biology, materials science, and engineering". (Michele Parrinello è un gigante nel suo campo, le cui innovazioni sono ampiamente utilizzate in chimica, biologia, scienza dei materiali ed ingegneria).

Siamo ormai avvezzi all'idea che ulteriori sviluppi delle scienze tendano a divaricare maggiormente discipline scientifiche già separate, così come ad accentuare la parcellizzazione all'interno di una stessa scienza. Tuttavia, recentemente, la dinamica molecolare "ab initio", di cui Michele Parrinello è uno dei pionieri, ha riavvicinato Fisica e Chimica e successivamente, andando ad estendere le sue metodologie di calcolo alle molecole più complesse della vita, anche la Biologia. Oltre alle scienze più applicate.

L'idea che la materia sia riconducibile a costituenti elementari, è stata formulata in forme più o meno semplificate sin dai tempi di Leucippo e Democrito (V-IV sec. a.C.). Se la materia è costituita da enti elementari, allora il comportamento macroscopico della materia deve poter essere ascrivibile al comportamento di queste stesse entità che la costituiscono.

Tuttavia il cammino per pervenire a questo è stato assai complesso. Ha attraversato molti secoli e le ultime svolte fondamentali ricevono la spinta di risultati della ricerca di Michele Parrinello.

I primi tentativi affrontarono atomi in gas molto rarefatti (Maxwell e Boltzmann), rappresentati come particelle puntiformi "classiche", minuscole "palline" di materia a schematizzare gli atomi ancora del tutto privi di struttura interna che, viaggiando in media così lontani gli uni dagli altri, non risentono della presenza degli altri atomi, se non nei brevissimi e rari istanti in cui vengono ad urtarsi, scambiandosi solo allora dell' energia.

Tuttavia a partire da gas meno rarefatti e, a maggior ragione, via via verso la materia più condensata, gli atomi e le molecole interagiscono tra loro in modo sempre più intenso e complesso, e le corrispondenti equazioni sono irrisolvibili.

Un atomo (ma lo stesso avviene per un pianeta!) è influenzato dalla condizione in cui si trovano tutti gli altri atomi. Ma ciascuno di questi è a sua volta influenzato anche dalla condizione del primo atomo considerato. E così avviene per tutti…

Nodo cruciale di ogni schema di "dinamica molecolare" per descrivere la materia è infatti come descrivere le interazioni "interatomiche" e/o intermolecolari.

Questo problema, nella pratica si traduce anche in come "approssimare" tali interazioni, affinché le corrispondenti equazioni diventino risolubili, pur continuando a fornire descrizioni realistiche della materia.

Per questo motivo, mentre all'inizio del secolo scorso si compivano definitivi avanzamenti nella comprensione della struttura interna dell'atomo, come sistema nucleoelettroni, nonché del comportamento quantistico degli elettroni, per i sistemi di molti atomi, non si era andati ancora sostanzialmente oltre quelli di atomi non interagenti.

Non si ebbero infatti passi rilevanti, prima dell'avvento dei computer e dell'introduzione del calcolo numerico che, sfruttando la potenza di calcolo degli stessi computer, risolve in modo approssimato le equazioni, assegnando di volta in volta specifici valori alle variabili in gioco, ma senza poter mai pervenire ad una forma analitica (funzione) che sintetizzi i comportamenti per tutti i possibili valori delle variabili. Sono le cosiddette "simulazioni numeriche" o esperimenti "virtuali" (ormai di vasto utilizzo anche al di fuori di contesti scientifici).

Bisognerà così attendere oltre la metà del XX secolo perché compaia una dinamica molecolare, ancora "classica", in grado di affrontare la descrizione di atomi interagenti all'interno di stati condensati (liquidi o gas densi) della materia, tramite appunto "simulazioni numeriche" sui primi computer. Tra ciascuna coppia di questi atomi "classici", ancora particelle puntiformi prive di struttura, ma interagenti, vennero attribuiti campi di forze. Tali forze sono estremamente repulsive tra atomi a brevissima distanza l'uno dall'altro, perché la "nuvola elettronica" di un atomo nella sua parte più esterna, impedisce alla "nuvola elettronica" dell'altro atomo di avvicinarsi, avendo entrambe carica negativa: come fossero delle sfere rigide che non possono compenetrarsi. Ma poi, allontanandosi appena, le forze attrattive rientrano in gioco, consentendo "aggregati" della materia.

Le prime simulazioni, in grado di ottenere risultati in accordi con gli esperimenti, furono eseguite con 864 atomi (A. Rahman, 1964). Il tempo di simulazione cresce enormemente quando si aumenta il numero degli atomi e la trattazione di sistemi più estesi, e quindi sempre più realistici, ha richiesto computer sempre più potenti.

Ma le transizioni energetiche degli elettroni, la rottura o la formazione di legami tra gli atomi nelle reazioni chimiche, i cambiamenti di fase della materia solida, liquida e gassosa (e quindi di "organizzazione " interattiva dell'insieme degli atomi stessi), richiedevano interazioni tra le "nuvole elettroniche" atomiche evidentemente più complesse della…semplice "elusione" tra elettroni. La meccanica classica delle "sfere rigide" che si respingono durante un urto, per quanto molto avanzata, non era sufficiente a spiegare le realtà più complesse: serviva trattare gli elettroni secondo la meccanica quantistica.

Questo presentava tuttavia, diverse difficoltà: oltre alla assai maggior complessità delle equazioni delle meccanica quantistica, si dovevano conciliare la scala dei tempi dei rapidissimi elettroni "leggeri", con la scala dei tempi dei moti "lenti" degli atomi, nel loro insieme.

Michele Parrinello, insieme a Roberto Car, nel 1985 rimossero gli ostacoli, segnando quel filone scientifico noto come "dinamica molecolare ab initio", che consente la simulazione di sistemi chimicamente complessi, dove sono coinvolte variazioni di legami interatomici o della struttura elettronica interna dei singoli atomi. Combinarono "elegantly and imaginatively" (come espresso dall' International Institute for Theoretical Physics di Trieste quando, nel 2009 assegnò loro, la medaglia Dirac), i rapidissimi tempi degli elettroni nei loro orbitali (descritti "quantisticamente") con il moto delle particelle "classiche" che continuavano a rappresentare gli atomi nel loro insieme. Il numero di citazioni del loro articolo fondativo del 1985 è da allora in continua e sempre più rapida ascesa, anziché risultare sorpassato dalla letteratura successiva.

Nel 2002, insieme ad Alessandro Laio, Michele Parrinello ha introdotto la "metadinamica", che consente la descrizione, a livello atomico di fenomeni quali la cristallizzazione, facilitando i calcoli per la minimizzazione dell'energia, questione spinosa per l'individuazione della configurazione stabile di un sistema.

I calcoli molecolari, oltre che per ideare nuovi materiali, sono stati applicati, con rilevanti risultati, anche alle biomolecole.

Eppure l'incontro di martedì 27 febbraio non si limiterà alla narrazione dei continui e sempre più vasti sviluppi di questo approccio in diverse branche della scienza, con computer via via più potenti che consentiranno la simulazione di sistemi di atomi più estesi e realistici, sulla falsariga del progresso degli ultimi 50 anni.

Il futuro prossimo, che si profila con le evoluzioni in corso nei "big data" che Antonietta Mira ci esporrà, può infatti portare "alla definizione di un nuovo paradigma per la ricerca scientifica", come espresso nell'abstract degli oratori

Credo che possa essere una bella occasione di dibattito, su tematiche, davvero di frontiera e di impatto sulle nostre vite, che non sono trattate comunemente fuori dagli ambiti scientifici.