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Descrizione
commessa
Modellistica, funzionalizzazione e proprietà elettroniche ed ottiche di sistemi molecolari, materiali ed interfacce superficiali


Tematiche di ricerca:
Tra le varie tematiche che vengono affrontate possiamo citare: - lo studio dei materiali costituenti le celle solari fotosensibilizzate e dei processi alla base del loro funzionamento; - lo studio di complessi di Ir per OLED (organic light emitting diode); - lo studio teorico delle proprietà chimico-fisiche di pigmenti organici e inorganici di interesse nel campo dei beni culturali; - lo studio della struttura elettronica di sistemi molecolari contenenti atomi pesanti con un approccio basato sulla chimica quantistica relativistica; - implementazione di nuovi funzionali e parallelizzazione di un avanzato programma a 4 componenti per il calcolo relativistico; - lo studio teorico-computazionale dei processi di ionizzazione molecolare; - lo studio delle interazioni intermolecolari in fase gassosa di sistemi contenenti idrogeno; - lo studio di specie cariche e neutre di interesse per le scienze atmosferiche. - lo studio della reattività di complessi organometallici
Obiettivi:
Obiettivo generale è simulare le proprietà e predire il comportamento di sistemi molecolari, nanosistemi e materiali di rilevante interesse chimico e di viva attualità al fine di progettare nuovi materiali con le proprietà desiderate. Le indagini teoriche saranno condotte per comprendere le proprietà elettroniche e spettroscopiche dei fotosensibilizzatori utilizzati nelle celle solari DSC e dei complessi metallici fosforescenti impiegati in OLED al fine di ottimizzarne le prestazioni. Ci proponiamo di interpretare e guidare gli esperimenti di osservazione di stati molecolari ionizzati ad alta energia contenenti lacune di core. Un obiettivo rilevante è sviluppare il metodo Dirac-Kohn-Sham (DKS) per il calcolo accurato della struttura elettronica che consente la trattazione degli effetti relativistici in modo praticamente esatto. In ambito beni-culturali l'obiettivo principale è la comprensione delle complesse relazioni struttura-proprietà spettroscopiche dei materiali che costituiscono le opere d'arte; la sfida è rappresentata dall'individuazione dei processi chimici alla base del deterioramento dei materiali di interesse artistico.
Stato dell'Arte:
Grazie alla crescita esponenziale che si è avuta in questi ultimi anni nelle potenzialità di calcolo offerte dagli odierni computer, affiancata dai notevoli sviluppi nelle metodologie teoriche e negli algoritmi, la modellistica molecolare si è rivelato un potente strumento interpretativo e predittivo che consente di comprendere a livello molecolare le proprietà di materiali, guidare la sintesi di materiali funzionali per una varietà di applicazioni che spaziano dall'elettronica alla fotonica, progettare e ottimizzare nuovi catalizzatori, simulare le proprietà chimico-fisiche di materiali di interesse nel campo dei beni culturali. Per l'accuratezza raggiunta nella descrizione delle proprietà strutturali, elettroniche, acido-base, spettroscopiche e reattive di materiali complessi (molecolari e periodici) la modellistica molecolare è uno strumento d'indagine usato in modo massiccio nell'ambito della scienza dei materiali.
Potenziale Impiego:
per processi produttivi:
La modellistica chimica è in grado di dare un contributo fondamentale a qualunque settore della progettazione molecolare, consentendo una più approfondita conoscenza delle proprietà dei materiali e dei processi chimici di interesse. L'approfondimento delle conoscenze sui fenomeni, ancora largamente ignoti, di trasferimento di energia ultraveloce, basati sulla creazione e trasferimento di lacune elettroniche, ha potenziali ricadute estremamente importanti sullo studio di nuovi materiali a struttura molecolare. La comprensione della natura del legame oro-carbonio è cruciale per la razionalizzazione delle proprieta' catalitiche di Au(I). I catalizzatori di Au(I) negli ultimi anni hanno avuto un impatto dirompente sulla sintesi organica, sia per la loro abilità nell'attivare sistemi insaturi verso l'attacco di nucleofili e per la loro "ecosostenibilita". Questi catalizzatori, utilizzati in reazioni di idratazione degli alchini, sono molto promettenti per un effettivo impiego industriale.
per risposte a bisogni individuali e collettivi:
Indagini teoriche su materiali per OLED, ottica non lineare, celle solari fotosensibilizzate sono fondamentali nella comprensione e razionalizzazione dei meccanismi alla base del funzionamento dei dispositivi e quindi nella progettazione di nuovi materiali con specifiche funzionalità che aumentino l'efficienza di tali dispositivi. La comprensione della chimica dei sistemi catalitici a base di Au(I) puo' dare un impulso particolarmente signifiticativo allo sviluppo di metodologie sintetiche ecosostenibili. La modellistica teorica può fornire informazioni sui processi di deterioramento subiti da materiali costituenti le opere pittoriche, aiutando così il resturo e la conservazione di tali materiali.
Competenze, strumentazione, tecniche di indagine e tecnologie :
Competenze (conoscenze possedute dai partecipanti alla commessa rilevanti ai fini del suo svolgimento):
Le competenze del personale CNR e di quello universitario associato sono eccellenti come testimoniato anche dalla partecipazione a progetti europei e nazionali. Il know-how esistente è competitivo ed adeguato alla sfida internazionale. In particolare il personale impegnato in questa commessa è esperto nello sviluppo e implementazione di accurati metodi quantomeccanici ab initio e delle strategie computazionali più avanzate per il calcolo parallelo, è esperto di metodi DFT, metodi di dinamica molecolare di tipo Car-Parrinello, metodi TDDFT per lo studio di stati eccitati.
Strumentazione (dispositivi, apparecchiature o impianti utilizzati per lo svolgimento delle attività):
Strumentazioni per il calcolo: 'HP Itanium2 Cluster: 8 biprocessori, 16 CPU Intel Itanium2 (1.0/1.3Ghz), 4Gb RAM per nodo (32Gb di memoria), 40Gflops peak performance, 1152Gb (1Tb) spazio disco scratch. 'HP Pentium4 Cluster: 8 processori, 8 CPU Intel P4 3.06Ghz, 1Gb RAM per nodo (8Gb di memoria), 20 Gflops peak performance, 576Gb spazio disco scratch. 'HP PentiumD Cluster: 26 dual core nodes (biprocessori), 40 CPU Intel PentiumD 3.0Ghz (Dual Core), 6 CPU Intel PentiumD 3.4Ghz (Dual Core),4Gb RAM per nodo (92Gb di memoria), 180Gflops peak performance, 7360Gb (7Tb) spazio disco scratch.
Tecniche d'indagine (metodologie per la comprensione di fenomeni o strutture attraverso l'impiego combinato di competenze e strumentazione):
Nell'ambito della modellistica teorica si applicano vari metodi ab initio a seconda della problematica affrontata. Una volta definito il sistema da studiare, in termini di dimensioni, proprietà alle quali si è interessati, e grado di accuratezza desiderato, si applicano accurati metodi ab initio, metodi basati sul funzionale di densità, sulla sua estensione dipendente dal tempo, metodi di dinamica molecolare. Si svilupperà BERTHA, un codice DKS a quattro componenti. Si utilizzera' la tecnica teorica basata sull'analisi della variazione della densita' elettronica a seguito della formazione del legame e sulla sua parziale integrazione (Charge Displacement analysis), sviluppata in sede.
Tecnologie (Metodologie di modellazione o di intervento su oggetti e sistemi):
Tutti i principali metodi ab initio o semiclassici come pure metodi non standard sviluppati in sede vengono utilizzati per lo studio dei sistemi di interesse. Tra i vari metodi utilizzati ricordiamo metodi basati sul funzionale di densità, metodi perturbativi, coupled cluster, CASSCF, CI, dinamica molecolare Car-Parrinello, metodi ibridi tipo ONIOM, TDDFT, etc.
 
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