Con blocco, matita e algoritmi

Dominik Sidler, nato a Ebikon, ha trascorso quattro anni come ricercatore post-dottorato presso l'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo. L'anno scorso è tornato in Svizzera con la moglie e i due figli, nati ad Amburgo. Tutto sembra ancora un po' nuovo, ma Dominik Sidler è anche felice di essere di nuovo vicino ai suoi genitori. "E ad essere onesti: come appassionato di alpinismo, stavo già lottando con i sintomi dell'astinenza nelle pianure della Germania settentrionale".

Quello che gli esperimenti non possono fare

Sidler lavora nel laboratorio di simulazione dei materiali del PSI, il posto giusto per un fisico specializzato nell'uso di modelli al computer per sviluppare teorie e prevedere le proprietà chimiche dei materiali. "Le simulazioni mi permettono di capire il livello atomico, un'area che rimane nascosta in molti esperimenti". Ciò consente di interpretare con maggiore precisione le misure e le osservazioni degli esperimenti.

Perché non si è dedicato personalmente alla ricerca sperimentale? Per i gusti di Sidler, ci sono troppi parametri difficili da controllare: "La teoria e la simulazione sono più adatte a me. Sono più pulite". A Sidler piace soprattutto il fatto che i meccanismi fisici che scopre con le sue teorie e simulazioni sono spesso sorprendentemente semplici. L'unica difficoltà sta nell'identificarli. "La ricerca di questa bella semplicità in mezzo alla complessità mi affascina".

Effetti enigmatici

Sidler intende anche combinare il semplice con il complesso nell'ambito del suo progetto attuale. Si chiama "Unravelling the Mysteries of Vibrational Strong Coupling" (UnMySt) ed è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER) con dieci milioni di euro. Il progetto avrà una durata di sei anni, a partire dalla primavera del 2025, ma di quali "segreti" stiamo parlando? Quelli della chimica polaritonica, un campo di ricerca relativamente giovane che, nonostante il nome, è fortemente caratterizzato dalla fisica teorica.

L'aspetto misterioso è che le proprietà chimiche delle sostanze possono essere modificate solo ponendole in un risonatore ottico. Si tratta di una sorta di scatola sperimentale con piccoli specchi disposti l'uno di fronte all'altro. Al suo interno, l'interazione tra materia e luce viene amplificata, dando luogo al cosiddetto forte accoppiamento luce-materia. Come è stato osservato negli esperimenti, questo accoppiamento modifica le proprietà delle reazioni, cioè le reazioni chimiche avvengono più lentamente o più rapidamente.

La forte interazione tra luce e materia è nota da decenni grazie alla fisica dei laser, ma nessuno sa come possa modificare le proprietà chimiche di una sostanza. Scoprirlo è tutt'altro che facile, perché le sostanze nel risonatore non cambiano nel loro insieme, ma solo le singole molecole: un cambiamento localizzato che può tuttavia portare a proprietà chimiche completamente nuove.

È necessaria una nuova teoria!

Le teorie standard finora esistenti affermano che un tale effetto localizzato non dovrebbe verificarsi affatto, il che porta alla conclusione che tali teorie sono inadeguate. Questo è il sogno di ogni teorico: l'opportunità di costruire una nuova base esplicativa che descriva in modo esauriente i meccanismi fisici alla base del fenomeno.

Questo è esattamente ciò a cui Sidler sta lavorando nell'ambito del progetto. Sta sviluppando teorie, metodi di simulazione e previsioni affidabili per la chimica polaritonica. Finora gli esperimenti hanno prodotto solo risultati casuali. Sono state provate molte configurazioni sperimentali diverse: a volte è stato osservato un effetto chimico, ma di solito no. La situazione cambierà non appena verrà trovata la teoria giusta. Questo creerà principi guida per esperimenti futuri in cui l'effetto chimico desiderato potrà essere indotto in modo specifico.

Questo potrebbe a sua volta aprire la strada ad applicazioni specifiche, ad esempio in medicina. In questo caso, la chimica polaritonica potrebbe un giorno contribuire a facilitare la separazione delle molecole destrorse e sinistrorse nella sintesi dei farmaci. Destro e mancino significa che le molecole sono identiche ma differiscono nella loro disposizione. Una molecola è l'immagine speculare dell'altra. Il problema: mentre una molecola ha un effetto curativo, la sua immagine speculare è potenzialmente molto dannosa. Una separazione efficiente è quindi essenziale per evitare effetti collaterali indesiderati.

Interdisciplinare è meglio

L'industria ha già espresso interesse, quindi il lavoro di Sidler è rilevante nella pratica, nonostante tutta la teoria "grigia". Ed è assolutamente interdisciplinare, come dimostra il progetto ERC. Riunisce conoscenze specialistiche, approcci e modi di pensare provenienti da aree molto diverse: chimica teorica in Pennsylvania, chimica sperimentale a Strasburgo, fisica sperimentale a Tel Aviv e fisica teorica ad Amburgo e al PSI.

Sidler inizia il progetto con la domanda centrale: perché le proprietà chimiche delle sostanze cambiano solo in alcuni esperimenti, ma spesso non succede nulla. Un collega di Amburgo cercherà poi di verificare matematicamente le sue equazioni. Queste saranno poi risolte su computer mainframe. Infine, è il turno dei colleghi sperimentatori: devono confermare l'ipotesi con degli esperimenti. I loro risultati costituiscono a loro volta la base per nuovi modelli teorici. "Possiamo raggiungere il nostro obiettivo solo insieme. Gli ultimi dieci anni di ricerca nel campo della chimica polaritonica hanno dimostrato che le osservazioni isolate non portano alcun progresso. Sia la teoria che l'esperimento devono completarsi a vicenda", afferma Sidler.

Ritiro per l'allevamento

Sidler si sente ben equipaggiato per questo difficile compito: dopo tutto, è stato a lungo ufficiale di stato maggiore nell'esercito svizzero. Lì si è allenato alla resistenza e alla forza di volontà. "Entrambe sono essenziali anche nella ricerca, poiché i primi tentativi spesso falliscono. Il trucco è perseverare e riconoscere per tempo che un approccio è senza speranza". Durante il periodo militare, Sidler ha anche imparato ad assumersi la responsabilità degli altri. Quando si ha a che fare con le persone, la logica non sempre porta da nessuna parte. Servono empatia, persuasività, capacità di motivare e di essere un modello di comportamento. Risultati che possono essere facilmente trasferiti alla ricerca. Sidler sa come approcciare gli studenti e i postdoc - la loro supervisione è anche uno dei suoi compiti al PSI.

Sidler si sente ben accolto al PSI, non gli manca nulla. Nell'ambito del progetto, le grandi strutture di ricerca possono essere utilizzate anche per gli esperimenti. Ma ciò di cui un teorico ha bisogno è soprattutto un luogo in cui ritirarsi. Può chiudere la porta e programmare o rimuginare su un'idea in tutta tranquillità. Tuttavia, gli spazi comuni con lavagna e caffè vicino all'ufficio sarebbero l'ideale per lui. In questi luoghi d'incontro si possono fare "incontri e discussioni spontanee", che spesso aiutano a trovare soluzioni ai problemi su cui si sta lavorando. A volte da questi scambi emergono anche nuove idee di ricerca, sulle quali è bene riflettere in una stanzetta tranquilla.