Tra le reazioni chimiche più affascinanti e belle da vedere ci sono quelle che hanno come prodotto di reazione la luce. Non è un’occorrenza comune, eppure alcuni composti hanno la struttura chimica giusta per emettere una particella di luce, un fotone, passando da uno stato ad alta energia ad uno stato stabile a bassa energia. Questo fenomeno si chiama chemiluminescenza: luce prodotta da una reazione chimica. Non so quanti tra voi lettori sono familiari con questo fenomeno eppure scommetto che tra i casi che andremo ad esplorare ne troverete almeno uno che vi farà esclamare il proverbiale «Ah! Lo sapevo!».
A differenza di una normale reazione chimica in cui abbiamo molecole che si trasformano in altre molecole, la chemiluminescenza implica una catena di reazioni dove si forma un prodotto instabile in cui gli elettroni della molecola occupano degli stati ad alta energia che possono esistere per poco tempo. In pratica è come provare a tenere un oggetto in equilibrio sulla punta di una matita. Magari siete abili e per qualche secondo l’oggetto rimane in equilibrio, per poi però inevitabilmente cadere. Ecco, il prodotto di una reazione chemiluminescente farà la stessa cosa “cadendo” in uno stato elettronico più stabile, e “sparando” un fotone fuori dalla molecola nel processo.
I glow-stick
I glow-stick sono quei tubetti di plastica da festa che una volta rotti iniziano ad emettere luce. Vediamo come sono fatti. Il tubo di plastica morbida contiene una soluzione composta da un difenilossalato e un catalizzatore. All’interno del tubo di plastica c’è un sottile tubo di vetro pieno di acqua ossigenata (H2O2).
Quando pieghiamo il glow-stick il tubo di vetro interno si rompe, i reagenti si miscelano e reagiscono producendo un intermedio super instabile. Questo intermedio si decompone reagendo con un colorante e liberando anidride carbonica. In questo passaggio il colorante riceve l’energia della reazione e passa ad uno stato eccitato instabile. A questo punto la molecola di colorante farà di tutto per tornare ad una condizione di stabilità e nel processo emetterà un fotone. Il colore emesso dipende dal colorante scelto: diversi coloranti hanno strutture chimiche differenti, che emetteranno fotoni a diversa energia e quindi di diverso colore.
La somma di innumerevoli di queste reazioni produrrà una fantastica luce colorata che rimarrà attiva finché ci saranno reagenti da consumare. Le reazioni chimiche sono spesso influenzate dalla temperatura e questo caso non fa eccezione. Fornendo calore al glow-stick la luce diventerà molto più intensa ma si estinguerà più in fretta, al contrario se mettete un glow-stick in un freezer bello freddo potrete osservarne la fievole luce anche dopo giorni. Se pensate che le feste sono l’unico applicativo di questa tecnologia chimica vi sbagliate di grosso. Infatti dietro la creazione dei primi glow-stick c’è lo zampino dello Zio Sam. L’esercito americano è tutt’oggi uno dei maggiori acquirenti di questi oggetti, utilissimi come torce chimiche per operazioni di salvataggio in mare, di segnalazione a terra e persino per le operazioni militari in spazi ristretti. Non hanno bisogno di batterie, energia e manutenzione. Uno strumento di sopravvivenza eccezionale che trova sicuramente posto anche negli zaini degli appassionati di outdoor e in tutti quei casi dove avere una luce affidabile può fare la differenza.
Chemiluminescenza contro il crimine
Una delle scene più iconiche che ricorre nelle serie tv crime è sicuramente quella della polizia scientifica che, armata di uno spray chimico, rivela tracce di sangue che diventano visibili e forniscono utili indizi a ricostruire la dinamica del caso. Si tratta di una tecnica forense che usa una reazione chemiluminescente di una molecola chiamata luminol.
Il luminol sfrutta esattamente la stessa chimica dei glow-stick ma con una sostanziale differenza che lo rende uno strumento di analisi forense eccezionale: il catalizzatore che ne attiva la chemiluminescenza si trova già sulla scena del crimine. Infatti il luminol, miscelato con un ossidante e una sostanza basica, si attiva a contatto con i residui di sangue. Questo perché l’emoglobina contenuta nel sangue è ricca di ferro e proprio quest’ultimo catalizza la reazione che porta all’intermedio instabile e alla successiva emissione luminosa. Questa tecnica è estremamente sensibile. Permette di rilevare approssimativamente una singola goccia di sangue sciolta in una vasca da bagno. Ecco perché lavare il sangue per cercare di occultare una scena del crimine non funziona quasi mai.
Quali creature emettono luce oltre alle lucciole?
La chemiluminescenza esiste in natura e quando avviene all’interno degli esseri viventi si parla di bioluminescenza. Emettere luce non è cosa da poco: le creature che producono bioluminescenza si sono evolute e specializzate attraverso milioni di anni di evoluzione oppure hanno sviluppato una forte simbiosi con microorganismi a loro volta bioluminescenti.
Le lucciole, con i loro addomi luminosi giallo-verdi e le loro danze estive, sono un esempio che conosciamo bene. Come nei casi precedenti, la luce arriva da una catena di reazioni in cui un composto della famiglia delle luciferine reagisce con altri composti chimici presenti nell’addome dell’insetto e, grazie alla presenza di uno specifico enzima (che altro non è che un tipo di catalizzatore biologico) detto luciferasi, si trasforma in un composto instabile che torna al suo stato base emettendo della luce.
Lo stesso vale per altre specie di larve, funghi e per molti abitanti degli oceani profondi come la spaventosa rana pescatrice, alcune specie di calamari e molte specie di medusa. Proprio nelle impenetrabili oscurità oceaniche poter produrre luce chimicamente non è solo una questione di stile ma un’arma evolutiva che permette di attrarre prede, distrarre i predatori o camuffarsi dallo sguardo delle creature che si annidano ancora più in profondità.
Sapevate che anche le onde possono prendere vita e brillare diventando visibili perfino dallo spazio? Dobbiamo chiariamo una cosa: le onde per sé non emettono nessuna luce. Si tratta di alcune specie di microscopiche alghe che quando sottoposte a una forza fisica producono, come meccanismo di difesa, una reazione chemiluminescente che andrà ad illuminare le creste delle onde. Uno spettacolo unico e mozzafiato!
