Legami ad idrogeno rilevati per la prima volta in una singola molecola

Per la prima volta nella storia è stato misurato il legame ad idrogeno in una molecola usando un microscopio a forza atomica, grazie ai ricercatori dell'università di Basilea in Svizzera. Fino ad oggi non è mai stato possibile rilevare direttamente questo legame, mentre ora siamo in grado di misurarne la forza esatta.

Ma cos'è un legame ad idrogeno? Parliamo di un legame tra più molecole che è possibile solo in presenza di atomi di idrogeno e altri atomi particolarmente elettronegativi, ovvero capaci di attirare a sé elettroni (come ossigeno, fluoro e azoto). Nella singola molecola, ad esempio acqua (formula chimica H₂O), l'ossigeno forma due legami covalenti con ognuno dei due atomi di idrogeno. Essendo l'ossigeno più elettronegativo dell'idrogeno, attirerà a sé gli elettroni dei due idrogeni, facendo sì che il legame covalente sia polare, ovvero che ci sia un'elevata forza elettrostatica dovuta alla "perdita" degli elettroni dei due idrogeni che ora hanno carica positiva, mentre l'ossigeno ha carica negativa.

Dunque la molecola d'acqua ha ora un polo estremamente positivo (idrogeni) e uno estremamente negativo (ossigeno). Il fatto che l'idrogeno abbia "perso" l'unico suo elettrone lo rende particolarmente propenso a legarsi a molecole vicine che abbiano una certa elettronegatività, come ad esempio l'ossigeno di altre molecole di acqua. Dunque il legame a idrogeno è un legame tra più molecole di natura elettrostatica.

Questo tipo di connessione fra le molecole è responsabile di una lunga serie di comportamenti della materia che osserviamo ogni giorno senza saperlo: l'acqua bolle a 100 gradi centigradi proprio a causa del legame ad idrogeno che sussiste fra le sue molecole. Il ghiaccio occupa più spazio dell'acqua a causa del legame ad idrogeno che impone la formazione di un reticolo esagonale ordinato, ovvero dall'allineamento richiesto per il legame elettrostatico. Anche i due filamenti del DNA nella struttura a doppia elica sono tenuti insieme sempre grazie al legame ad idrogeno. Si potrebbero fare molti esempi, ma fino ad ora dovrebbe essere chiara l'importanza della presenza di questo legame in natura.

L'idrogeno è l'elemento più presente in tutto l'universo ed è fondamentale per qualsiasi composto organico. Fino ad ora non era mai stato possibile misurare il legame ad idrogeno in una singola molecola a causa della facilità con cui si rompe nello studio della singola molecola, mentre ora la possibilità è diventate reale grazie al Dr. Shigeki Kawai.

L'esperimento è stato condotto usando idrocarburi policiclici, posti su una superficie in modo che due idrogeni siano rivolti sempre verso l'alto (nella figura in copertina parliamo dei due atomi bianchi più esterni la cui forza è evidenziata in blu). Usando un microscopio a forza atomica (punta in rosso), che ha una risoluzione estremamente alta, è stato possibile misurare la minuscola forza di attrazione del legame proprio grazie alla punta di monossido di carbonio sensibile all'idrogeno. Infatti all'avvicinarsi della punta si è formato proprio il legame ad idrogeno cercato, permettendone la misura della sua forza.

Il risultato ottenuto coincide con quella che è la forza del legame ad idrogeno calcolata nella stessa molecola tramite calcoli matematici, confermando il successo dell'esperimento.

Ora il mondo scientifico può finalmente misurare con esattezza il legame che è alla base di tutta la formazione dell'universo.