La reazione chimica che oscilla: il caso Belousov-Žabotinskij

Esiste una reazione chimica che si comporta come un cuore che batte: cambia colore avanti e indietro, dal giallo all'incolore, dal rosso al blu, ripetendo il ciclo decine di volte prima di fermarsi. È la reazione di Belousov-Žabotinskij, l'esempio più famoso di reazione chimica oscillante. Quando il chimico sovietico Boris Belousov la scoprì nel 1951, nessuno gli credette: i suoi articoli vennero respinti perché un simile fenomeno sembrava violare le leggi della termodinamica. Ci vollero anni perché la scienza capisse che, invece, quella reazione apriva un capitolo del tutto nuovo.

La scoperta che "non poteva esistere"

Belousov stava cercando un analogo inorganico del ciclo di Krebs, il processo che produce energia nelle nostre cellule. Mescolò bromato di potassio, sali di cerio e acido malonico e citrico in acido solforico diluito e osservò qualcosa di sconcertante: la soluzione cambiava colore a intervalli regolari, oscillando ritmicamente tra il giallo e l'incolore, come un orologio chimico. Convinto di aver trovato un fenomeno importante, provò a pubblicarlo, ma venne rifiutato due volte. L'obiezione dei revisori era netta: una reazione che oscilla avanti e indietro sembrava contraddire il secondo principio della termodinamica, secondo cui i processi procedono in un'unica direzione verso l'equilibrio. Per gli editori dell'epoca, come ricostruisce una dettagliata storia della reazione pubblicata su Annalen der Physik, la scoperta era semplicemente "impossibile". Amareggiato, Belousov abbandonò la ricerca, lasciando solo una nota in un'oscura raccolta di radiobiologia.

Perché non viola affatto la termodinamica

Il malinteso nasceva da un equivoco. La reazione di Belousov-Žabotinskij non oscilla in eterno e non crea energia dal nulla: oscilla soltanto finché ci sono reagenti da consumare, e quando questi si esauriscono si ferma, raggiungendo finalmente l'equilibrio. È un sistema lontano dall'equilibrio, alimentato dall'energia chimica immagazzinata nei reagenti di partenza. Le oscillazioni di colore riflettono il continuo rincorrersi di due gruppi di reazioni che si attivano e si inibiscono a vicenda, in un meccanismo di retroazione. Il secondo principio resta del tutto valido: l'entropia complessiva del sistema aumenta, ma localmente, e temporaneamente, può comparire ordine. Questo tipo di fenomeni venne teorizzato dal chimico Ilya Prigogine con il concetto di "strutture dissipative", che gli valse il Premio Nobel per la Chimica del 1977.

Žabotinskij e i colori che danzano

Nel 1961 un giovane dottorando dell'Università Statale di Mosca, Anatol Žabotinskij, riprese in mano gli esperimenti di Belousov e li perfezionò. Sostituendo in parte i reagenti e aggiungendo la ferroina come indicatore, ottenne oscillazioni ancora più spettacolari, con la soluzione che virava nettamente dal rosso al blu. Soprattutto, quando la miscela veniva lasciata ferma in uno strato sottile, dentro una capsula di Petri, accadeva qualcosa di straordinario: comparivano spontaneamente onde concentriche e spirali colorate che si propagavano nello spazio, come increspature in uno stagno. Erano strutture auto-organizzate, nate senza alcun intervento esterno. La ricostruzione di questa storia è raccolta anche negli archivi accademici dedicati alla storia della reazione BZ.

Dai bicchieri alla biologia

La reazione di Belousov-Žabotinskij non è solo un bel gioco di colori. È diventata il modello di laboratorio per studiare i sistemi non lineari, il caos deterministico e l'auto-organizzazione, fenomeni che ricorrono ovunque in natura. Le onde a spirale della BZ assomigliano in modo impressionante a quelle che attraversano il muscolo cardiaco durante un'aritmia, alle dinamiche di certe colonie cellulari e ai pattern di alcune popolazioni animali. Per questo la reazione viene usata come analogo chimico per indagare processi biologici complessi, dalla propagazione degli impulsi nervosi alla formazione dei disegni sulla pelle degli animali.

Una rivincita postuma

Boris Belousov non vide mai il pieno riconoscimento del suo lavoro: morì nel 1970, lo stesso anno in cui, ironia della sorte, la comunità scientifica iniziava a celebrarne la scoperta. Nel 1980 gli fu conferito, postumo, il prestigioso Premio Lenin insieme a Žabotinskij e ad altri ricercatori. Oggi la reazione che "non poteva esistere" è un classico delle dimostrazioni di chimica e un pilastro dello studio dei sistemi complessi, come testimonia l'ampia documentazione scientifica sulla reazione. La storia di Belousov è anche un monito: a volte le scoperte più rivoluzionarie vengono respinte proprio perché contraddicono ciò che credevamo di sapere.