Immagina un cubo che pesa 10 chili. Dentro ci sta la stessa quantità di gas di una bombola da 60 chili. Pesa sei volte meno, ed è più semplice e più sicuro da trasportare. Si chiama Cubitan ed è una delle applicazioni delle spugne molecolari, i materiali che l’anno scorso hanno fatto vincere il Nobel per la Chimica al giapponese Susumu Kitagawa. Lo scienziato ne ha parlato a BergamoScienza. E ha lanciato un’idea che fa discutere: con queste spugne, secondo lui, potremmo smettere di scavare la terra per prendere petrolio, metano e carbone, e cominciare a pescare quello che ci serve direttamente dall’aria.

Ma andiamo con ordine.

Cosa sono le spugne molecolari, spiegate semplici

Pensa alla spugna che usi in cucina. È piena di buchi. Quei buchi si riempiono d’acqua. Quando la strizzi, l’acqua esce.

Le spugne molecolari funzionano in modo simile. Solo che i buchi sono piccolissimi, grandi più o meno quanto una molecola. Parliamo di milionesimi di millimetro. E dentro, invece dell’acqua, ci finiscono i gas.

Il nome tecnico è MOF, una sigla inglese che vuol dire «strutture metallo-organiche». Sono fatte con due ingredienti. Da una parte ci sono gli ioni metallici, cioè minuscoli pezzetti di metallo, che fanno da snodi. Dall’altra ci sono molecole a base di carbonio, che fanno da ponti tra uno snodo e l’altro. Il risultato è una specie di impalcatura che si ripete sempre uguale, piena di stanzette vuote.

Kitagawa le ha paragonate ai Geomag, quei giochi con le barrette calamitate e le palline di metallo. Unisci i pezzi in un modo e ottieni una forma. Li unisci in un altro e la forma cambia. Così si costruisce la gabbia giusta per il gas che vuoi catturare. Quei disegni geometrici il professore se li è fatti stampare anche sulla cravatta.

Adesso un numero che fa girare la testa. Prendi un solo grammo di questa polvere. Se potessi aprire e stendere tutte le pareti interne dei suoi buchi, copriresti un campo da calcio. Ecco perché ne basta pochissima per catturare tanto. Il comitato del Nobel l’ha paragonata alla borsetta di Hermione in Harry Potter: piccola fuori, enorme dentro.

Chi ha vinto il Nobel e cosa ha scoperto Kitagawa

Kitagawa il premio non l’ha preso da solo. L’8 ottobre dell’anno scorso l’Accademia svedese lo ha diviso fra tre scienziati: lui, che insegna all’Università di Kyoto; l’australiano Richard Robson, dell’Università di Melbourne; e Omar Yaghi, che lavora a Berkeley, in California. In palio 11 milioni di corone svedesi, circa un milione di dollari.

Ognuno ha messo un pezzo. Robson ha costruito le prime strutture, ma all’inizio erano fragili. Yaghi ha lavorato per renderle stabili. Kitagawa ha scoperto che potevano essere flessibili e che i gas potevano entrarci e uscirne. In parole povere: la spugna non solo assorbe, ma si può anche strizzare.

Dalla civiltà che scava a quella che separa

A Bergamo Kitagawa ha disegnato uno scenario ambizioso. Oggi, è il suo ragionamento, viviamo in una civiltà estrattiva: per avere energia scaviamo, trivelliamo, bruciamo. Domani, secondo lui, potremmo passare alla civiltà della separazione. Invece di cercare risorse sottoterra, si separano dall’aria le molecole utili. E intanto si catturano quelle dannose, come l’anidride carbonica o il monossido di carbonio.

«Il pianeta piange, c’è il surriscaldamento globale, l’esaurimento delle risorse sotterranee è ormai prossimo», ha detto il Nobel. Ha ricordato che solo i grandi Paesi hanno tante materie prime, mentre l’aria è di tutti. Per lui è «oro invisibile», il punto di partenza di «un ciclo estremamente sostenibile».

Qui però bisogna fare attenzione a non confondere una visione con un risultato: che le spugne molecolari possano rendere inutili gas e petrolio è la prospettiva indicata dallo scienziato. Di concreto, oggi, ci sono 57 start up, alcune nate proprio dall’Università di Kyoto, e una quantità enorme di nuovi materiali: oltre 130mila. La chimica Stavroula Kampouri, della Rice University, parla invece di più di 90mila MOF prodotti finora. I conteggi, insomma, cambiano a seconda di cosa si mette nel mucchio.

Dove si usano già le spugne molecolari

Fuori dai laboratori qualcosa si muove davvero. Alcune di queste spugne sono già in vendita per catturare l’anidride carbonica dei cementifici e per aiutare a produrre idrogeno. Altre si studiano per tirare fuori acqua dall’aria nei posti più secchi, per ripulire le acque di scarico e per togliere dall’ambiente i PFAS, le sostanze chimiche chiamate «eterne» perché non si degradano. Ling Zang, ricercatore dell’Università dello Utah, sta costruendo un filtro che si illumina quando è pieno. Come la spia del filtro dell’acqua di casa.

Poi c’è la medicina. All’Università di Chicago il gruppo di Wenbin Lin sta sperimentando sui pazienti una spugna chiamata RiMO-301. Si inietta nel tumore prima di una radioterapia a basse dosi. Secondo i risultati intermedi della prima fase dello studio, il 42% delle persone che non avrebbero risposto alla sola radioterapia ha risposto. Sono dati parziali, di una fase iniziale.

Anche Kitagawa, rispondendo alle domande del pubblico, ha parlato di salute. In una prima prova le spugne sono riuscite ad assorbire l’ossido nitrico, una sostanza che si forma nelle ferite aperte: toglierla aiuta a guarire. Ma è stato lui stesso a frenare: siamo proprio all’inizio. Per usarle davvero nel corpo servirebbero spugne che, finito il lavoro, si sciolgono da sole. Per esempio mettendo al posto dei metalli particelle di calcio che l’organismo riesce a riassorbire.

I limiti ancora da superare

La strada non è stata in discesa. Theresa Reineke, tra i primi studenti di Yaghi, ricorda che agli inizi i dubbi erano tanti. Bisognava dimostrare che questi materiali facessero il lavoro meglio, in modo più efficiente e spendendo meno delle alternative.

Kampouri racconta che, quando ha cominciato il dottorato, i colleghi più anziani la mettevano in guardia: troppo delicate, rischiano di sbriciolarsi al primo contatto con l’aria o l’umidità. Oggi molte sono diventate robuste. Ma secondo la stessa ricercatrice bisogna ancora migliorare due cose: la stabilità e la produzione su larga scala. Passare dai milligrammi del laboratorio alle quantità che servono all’industria è il vero esame.

Eraclito, il rame «inutile» e il caso Kyoto

Kitagawa ha raccontato anche da dove sono nate le sue idee. Dal filosofo greco Eraclito e dal suo «panta rei», tutto scorre, che lo ha aiutato a immaginare solidi capaci di muoversi. E da quella che chiama l’utilità dell’inutile: studiare un tipo di rame che sembrava non servire a niente lo ha portato a scoperte che nessuno si aspettava.

Lui stesso è stato allievo di un premio Nobel. E ha ricordato che all’Università di Kyoto i Nobel sono 13. Merito, secondo lui, della grande libertà di pensiero che si pratica nell’ateneo. Alla fine dell’incontro Andrea Moltrasio e Telmo Pievani, presidente e direttore scientifico della Fondazione BergamoScienza, gli hanno consegnato la targa «Rita Levi Montalcini memorial lectures».

Il futuro

Che le spugne molecolari funzionino non è in discussione. La domanda vera è un’altra. Riusciranno a uscire dai laboratori in quantità e a costi tali da cambiare il modo in cui produciamo energia?

Chi ci crede vede un mondo che respira invece di scavare. Ma tra una scoperta premiata e un pozzo di petrolio chiuso la strada è lunga, e piena di ostacoli industriali ed economici. Per ora l’oro invisibile resta lì, nell’aria intorno a noi. Chi riuscirà a raccoglierlo, e a quale prezzo?