La Giuria del Premio 2021 ha designato all’unanimità l’insigne scienziata Roberta SESSOLI.
Giuria, nominata dal Rettore dell’Università di Pisa in base ad una serie di proposte del Consiglio direttivo della Fondazione, è composta dai Professori Marco MANCINI (Presidente della Fondazione), Gilberte CHAMBAUD, David COLE-HAMILTON, Avelino CORMA, Ada YONATH e Saverio SANI (Segretario del Premio).
Professore ordinario di Chimica Generale e Inorganica dell’Università degli Studi di Firenze, per i suoi contributi di fama mondiale al magnetismo a livello molecolare, di superficie estesa e di calcolo quantistico degli ultimi venti anni.
Come dottoranda nel laboratorio di Dante Gatteschi, la prof.ssa Sessoli ha dimostrato per la prima volta che alcuni ioni metallici paramagnetici in una molecola possono comportarsi come un magnete, dando luogo a isteresi. Il documento Nature (1993, 365, 141-143) di cui Roberta è la prima autrice, è stato citato più di 4000 volte, ha attirato l’attenzione mondiale e ha aperto un campo di ricerca completamente nuovo nelle nanoscienze, in seguito chiamate Single Molecule Magnets (SMMs ). I SMM, negli ultimi 20 anni, sono diventati una nuova “scuola di fisica” per i molti nuovi fenomeni quantistici fondamentali in essi evidenziati.
Nel 2001 Roberta Sessoli ha contribuito in modo significativo alla scoperta di un altro fenomeno, noto come comportamento del magnete a catena singola. Nel 2009 ha dimostrato per la prima volta che l’effetto memoria, essenziale per le molecole per memorizzare le informazioni nell’informatica quantistica, può sopravvivere quando molecole, opportunamente progettate, vengono innestate su una superficie d’oro. Il suo lavoro sull’accoppiamento dello spin di una molecola con un substrato superconduttore ha portato all’osservazione della modulazione del campo elettrico dell’interazione di scambio nei materiali molecolari chirali. Sebbene ancora agli inizi, questa ricerca ha buone potenzialità per contribuire alla Seconda Rivoluzione Quantistica.
In collaborazione con altri scienziati (2017) la prof.ssa Sessoli ha riformulato l’attuale visione del rilassamento magnetico nei sistemi molecolari, definendo nuovi criteri di progettazione per questi materiali.
La ricerca di Roberta Sessoli si è gradualmente spostata dalla chimica di coordinazione e dalla fisica della materia condensata all’autoassemblaggio, alla scienza delle superfici e al calcolo molecolare, fornendo scoperte di interesse mondiale in tutte queste aree. Essa ha ridisegnato fondamentalmente la nostra comprensione di alcuni fenomeni fisici.
Protagonista in un campo di ricerca multidisciplinare, Roberta Sessoli è molto attiva nella formazione di giovani scienziati di talento, nella diffusione delle cognizioni tra le gente comune o come consulente della Commissione Europea, con una visione ampia dei rapporti tra scienza e società. È stata membro del Science and Technology Advisory Council del Presidente della Commissione Europea José Manuel Barroso.
La prof.ssa Sessoli è un’ottima comunicatrice non solo verso i suoi colleghi, ma anche verso i non esperti del settore. Presenta una significativa attività di divulgazione internazionale, come la partecipazione a un innovativo programma di conferenze “Le magnétisme aujourd’hui: du pigeon voyageur à la spintronique” organizzato da France Culture e Canal U, o l’invito al 64° Berzelius day a Stoccolma.
Al servizio della comunità scientifica, è stata recentemente nominata Associated Editor della rivista Inorganic Chemistry dell’American Chemical Society, ed è membro di Advisory Boards di importanti riviste scientifiche.
Ha vinto inoltre molti premi importanti, tra cui il più recente è il Premio per il Centenario della Royal Society of Chemistry (RSC).
La prof.ssa Roberta Sessoli è dunque da ritenersi una vincitrice straordinariamente degna del Premio Galileo Galilei dei Rotary Club Italiani per la Scienza.
Saluto il Magnifico Rettore dell’Università di Pisa, il Presidente della Fondazione Premio Internazionale Galileo Galilei dei Rotary Club Italiani, le autorità tutte ed il gentile pubblico. Ringrazio la Fondazione e gli autorevoli colleghi della Giuria per il prestigioso riconoscimento che mi è stato assegnato e per la scelta che è stata fatta di valorizzare quella che viene definita ricerca di base, ovvero quella ricerca che produce il terreno fertile da cui sono nate le rivoluzioni tecnologiche ed industriali, anche se non sempre con percorsi lineari. E’ una ricerca, questa, che in una società sempre più con un orizzonte temporale limitato e spinta verso il “profitto” immediato, viene spesso considerata secondaria, dimenticando il ruolo seminale che questa ha, quando sfide alle frontiere della conoscenza vengono affrontate con rigore scientifico.
Volendo oggi riassumere in un unico termine la mia attività di ricerca, la parola che ho scelto è “spin”.
Lo spin è una delle proprietà più difficili da razionalizzare. Caratterizza il comportamento di tutta la materia, dalle particelle subatomiche ad alcune rocce che, secondo la mitologia tramandataci da Plinio, attrassero le scarpe chiodate del pastore Magnes, dando così il nome al fenomeno del magnetismo. Altre etimologie, meno affascinanti, sembrano putroppo più probabili.
Nel vasto campo del magnetismo, dominio della fisica, non è facile immaginare come la chimica possa avere contribuito in modo significativo. Nella maggior parte delle molecule, infatti, lo spin degli elettroni è cancellato in quanto anche gli elettroni degli orbitali semi-riempiti sono coinvolti nei legami chimici fra gli atomi che compongono la molecola stessa, accoppiandosi con spin opposto. Esistono importanti eccezioni; la più importante fra queste è lo stato di tripletto dell’ossigeno molecolare, caratteristica che lo rende più inerte e che ha permesso lo sviluppo della vita.
Se pensiamo al magnetismo classico, per esempio agli studi pionieristici di Luis Néel che hanno aperto la strada allo sfruttamento del magnetismo nel campo dell’informazione, il fenomeno dell’isteresi magnetica è considerato intrinsecamente un fenomeno di larga scala, ovvero cooperativo.
Ho avuto il privilegio di contribuire, come chimico, a dimostrare che anche una molecola con uno o pochi atomi con elettroni spaiati, se opportunamente disegnata, può avere una “memoria” magnetica. La rivista Nature ha definito questa scoperta una pietra miliare nella storia dello spin (https://www.nature.com/collections/idgejiafca), perché ha permesso di osservare nel magnetismo la coesistenza di fenomeni classici e fenomeni quantistici. La naturale evoluzione di queste ricerche è l’utilizzo di singole molecole portatrici di uno spin come memorie magnetiche con dimensioni subnanometriche. In realtà, la tecnologia delle memorie magnetiche ha raggiunto un tale grado di maturità da non lasciare spazio ad un significativo contributo da parte della chimica molecolare. La situazione è significativamente diversa nel campo delle tecnologie quantistiche dell’informazione. Le tecnologie classiche basate sul paradigma di von Neumann stanno raggiungendo il limite delle loro potenzialità. Sono inoltre avide di energia e perciò difficilmente sostenibili su scala globale. Se il ventesimo secolo ha posto le basi delle teorie quantistiche, quello corrente, definito della seconda rivoluzione quantistica, vedrà lo sfruttamento di proprietà come la coerenza, la sovrapposizione di stati e l’ “entaglement” per la realizzazione di sensori più sensibili, computer più performanti e comunicazioni più sicure. Questi costituiscono strumenti fondamentali per affrontare le sfide che ci attendono in un pianeta dove popolazione e risorse disponibili seguono curve divergenti.
Grandi multinazionali, come IBM e Google, e enti finanziatori nazionali e sovranazionali stanno investendo in questo settore. I primi computer quantistici sono già operativi e disponibili per gli utenti che vogliono cimentarsi con nuovi algoritmi. Le piattaforme più diffuse usano circuiti superconduttivi e quindi operano a temperature prossime allo zero assoluto. Lo sviluppo delle tecnologie quantistiche dell’informazione è pertanto aperto a nuove proposte e gli spin delle molecole rappresentano un’alternativa interessante. Ai molti punti deboli si accompagnano anche importanti punti di forza. Fra questi, le capacità della chimica molecolare di disegnare e sintetizzare sistemi che vanno oltre il quantum bit (qubit), mettendo a disposizione più livelli (qudit) o accoppiando più qubit per realizzare porte logiche o simulatori quantistici controllati con radioonde o microonde.
Chi ha seguito, anche solo per curiosità, questo campo di ricerca forse ricorderà che i primi tentativi di simulazione quantistica si basavano su esperimenti di risonanza magnetica nucleare su semplici molecole. Perché quindi questo rinnovato interesse per le molecole? Lo spin nucleare ha il vantaggio di una grande coerenza quantistica grazie alle sue deboli interazioni con l’ambiente circostante. Sfortunatamente, questa sua natura ne complica anche il controllo e l’operabilità. Utilizzare molecole magnetiche, ovvero con elettroni spaiati, permette di usare l’elettrone per comunicare più efficacemente con lo spin nucleare.
Ad aumentare l’interesse per gli spin molecolari hanno contribuito i sorprendenti progressi nel campo delle nanotecnologie. Studi di risonanza magnetica su campioni macroscopici contenenti un enorme, quasi infinito, numero di molecole sono adesso affiancati da affascinanti esperimenti che permettono di operare su un solo spin, atomico o molecolare, elettronico o nucleare. Anche sotto questo aspetto l’approccio molecolare presenta notevoli punti di forza. Le molecole possono essere ingegnerizzate per poter essere depositate su varie superfici senza che le proprietà magnetiche vengano significativamente alterate, al contrario di singoli atomi (o adatomi) i cui orbitali invece danno luogo ad ibridazione con quelli del substrato, modificandosi.
Grazie ad un finanziamento Advanced Grant del European Research Council, a contributi ministeriali e della Fondazione Cassa di Risparmio di Firenze, ho potuto estendere l’attività del mio gruppo di ricerca alle scienze delle superfici ed alle nanoscienze. Abbiamo così dimostrato che anche singole molecole connesse a materiali conduttori conservano le proprietà di memoria e la ricchezza del comportamento quantistico che le caratterizza nel loro stato naturale, ovvero allo stato cristallino. Possono inoltre essere abbinate a materiali con proprietà interessanti per le tecnologie quantistiche, come I superconduttori.
I progressi in questi nuovi campi di ricerca sono impressionanti ma è opportuno anche guardare al passato. Non mi sono mai occupata di aspetti biologici, ma è evidente il divario fra il tempo trascorso dall’introduzione del metodo scientifico Galileiano ed i tempi geologici su cui ha potuto operare l’evoluzione naturale.
Come chimico sono sempre stata affascinata dal fenomeno della chiralità, onnipresente negli organismi viventi. Il primo ad accorgersi di una sottile ma importante relazione fra magnetismo e chiralità è stato Louis Pasteur. Ci è familiare il fenomeno del dicroismo circolare, assorbimento diverso di luce circolarmente polarizzata levo e destrogira che si osserva sia con i materiali chirali che con quelli magnetici.
Esistono però altri tipi di dicroismo, a cui mi sono interessata negli ultimi anni. Il dicroismo magneto-chirale fa uso di luce non polarizzata ma è presente solo in rari materiali che sono contemporaneamente magnetici e chirali. L’interesse non è solo applicativo. Il dicroismo magneto-chirale potrebbe essere all’origine dell’omochiralità che caratterizza la vita, almeno quella sulla terra.
Quale vantaggio hanno le strutture chirali? Sicuramente importanti sono le proprietà strutturali. La chiralità sembra anche favorire il trasferimento elettronico, processo fondamentale per molte attività biologiche. Nel movimento dell’elettrone attraverso una struttura chirale, un’elica per esempio, viene favorito uno spin rispetto all’altro, in funzione della direzione del moto e del verso dell’elica (o enantiomero scelto). L’ elettrone con un determinato spin verrà selezionato nel movimento in un certo verso, ma sarà sfavorito nel verso opposto, almeno fino a quando non avrà invertito il suo spin. Quest’ultimo processo è significativamente più lento del trasferimento dell’elettrone, favorendo così il procedere del movimento.
L’esistenza della selezione di spin indotta dalla chiralità è generalmente riconosciuta, ma ancora non compresa. All’interno di un progetto nazionale con colleghi chimici e fisici stiamo cercando di usare i qubit molecolari per studiare questo importante fenomeno. Comprendere a fondo il ruolo dello spin nei processi di trasferimento elettronico potrebbe permetterci di controllare meglio reazioni chimiche fondamentali, come la produzione di idrogeno, fulcro della rivoluzione verde.
Ugualmente interessante è la prospettiva di sfruttare la selettività di spin indotta dalla chiralità nelle tecnologie dell’informazione quantistica. Un progetto ambizioso e rischioso. Se porterà a risultati positivi potrà contribuire a superare uno dei punti deboli dei sistemi di spin, ovvero la debole interazione con il campo magnetico, o interazione Zeeman, che è sopraffatta dall’agitazione termica, obbligandoci al momento ad operare a temperature criogeniche.
Scrivendo questa breve panoramica sulle tematiche affrontate nella mia attività di ricerca, la mia grande fortuna mi è apparsa ancora più evidente; ho potuto fare di una passione la mia professione. Ho anche avuto il privilegio di condividere questo viaggio con scienziati eccezionali e ottimi maestri, primo tra tutti il mio mentore, Prof. Dante Gatteschi, fondatore della scuola di magnetismo molecolare presso l’Università degli Studi di Firenze.
La mia più grande riconoscenza va, però, ai tanti giovani collaboratori, laureandi e dottorandi che con il loro entusiasmo e dedizione mi hanno continuamente stimolata ad impegnarmi e migliorarmi. Ho certamente ricevuto più di quanto ho dato ed è a questa grande comunità di giovani e meno giovani, estensione della mia già numerosa famiglia, che vorrei indirizzare un ultimo ringraziamento.
Prof. ZYGMUNT GUIDO BARAŃSKI