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Descrizione
commessa
Nanoingegneria chimica computazionale e strutturale (NICCS)


Tematiche di ricerca:
L'attività si articola in 3 progetti di ricerca o moduli: 1. Diffrazione di raggi X (XRD) ad alta risoluzione, electron density (ED) quality, e metodi innovativi di analisi della ED sperimentale e teorica 2. Progettazione, sintesi, studio strutturale XRD e teorico computazionale (metodi ab-initio e semi-classici) di nuovi materiali nanostrutturati, autoassemblati tramite legame ad alogeno, con riferimento alle applicazioni in optoelettronica. Studio del ruolo del legame ad alogeno in strutture biologiche tramite tecniche QM/MM e dinamica molecolare. 3. Nanoingegneria di nuovi materiali tramite tecniche ab-initio e semiclassiche di diversa complessità, con applicazioni a sistemi d'interesse tecnologico nel campo dell'energetica e dell'ambiente (materiali termoelettrici, cemento), della nanoelettronica (nanografeni, NG, nanoparticelle di oro) della nanotecnologia e della catalisi (nanoparticelle di Au, adsorbimento su superfici). A livello propedeutico per la comprensione della materia a livello atomico: studio del legame chimico in sistemi non convenzionali e sviluppo di nuovi descrittori non ambigui e applicabili anche a densità elettroniche sperimentali.
Obiettivi:
Obiettivo generale è simulare le proprietà e predire il comportamento di sistemi molecolari complessi e nuovi materiali di rilevante interesse chimico e di importanza strategica in settori quali: -chimica bio- e supra-molecolare, riconoscimento molecolare, progettazione di farmaci, modellazione di proteine, "crystal engineering", optoelettronica; -analisi di processi chimici fondamentali in ambienti complessi; -H-economy, risparmio energetico, green-chemistry A tal scopo si sfrutta la sinergia tra tecniche sperimentali ad alta risoluzione, quali misure di diffrazione di raggi X a temperature inferiori a 110 K, e i metodi propri della chimica computazionale (ivi inclusi lo sviluppo di software specifico e la creazione di banche dati di descrittori della densità elettronica teorica e sperimentale). Un obiettivo specifico è ad esempio la comprensione del potenziale tecnologico dei processi di auto-assemblaggio basati sul legame ad alogeno per ottenere materiali nanostrutturati dotati di proprietà elettroottiche e la comprensione dell'interazione tra molecole alogenate e substrati biologici per sfruttare il ruolo del legame ad alogeno in processi biochimici di tipo terapeutico
Stato dell'Arte:
La NIC è un metodo di elezione per lo studio, progettazione e ottimizzazione di sistemi complessi e nuovi materiali. Il suo lato modellistico e di calcolo pone l'enfasi sugli aspetti interpretativi, predittivi e di manipolazione della materia, il lato strutturale e di ED sulla caratterizzazione della reale natura di un sistema,inclusa la difettualità e non conformità ad un modello inevitabilmente approssimato. Il dovuto confronto tra i due aspetti si attua in questa commessa. Riguardo alle applicazioni: 1.La XRD è indispensabile per conoscere la struttura cristallina e conformazione molecolare in stato solido. La ED dà informazioni quantitative sulle interazioni elettrostatiche tra molecole,usate nel crystal engineering e per interpretare la struttura dei complessi enzima-substrato (o -inibitore)al fine di predire la struttura, stabilita' e folding di proteine 2.Il legame ad alogeno è valido strumento per progettare nuovi materiali in ambito tecnologico e biofarmacologico (design di inibitori di proteine)3.I NG,l'ingegnerizzazione della reattività, le proprietà di trasporto, e la dinamica elettronica delle specie adsorbite su superfici sono temi di ricerca di avanguardia.
Potenziale Impiego:
per processi produttivi:
(a)La preparazione di network inorganici opportunamente funzionalizzati per favorire la formazione di legami ad alogeno rende possibile l'uso di sistemi porosi (argille) per la filtrazione e la catalisi eterogenea, a più basso costo rispetto alle zeoliti. (b)Polimeri fluorurati funzionalizzati, reticolati fisicamente attraverso legame ad alogeno, possono essere utilizzati come lubrificanti ad alte temperature. (c)Nuovi materiali termoelettrici con figura di merito ZT > 1.7 potranno essere utilizzati per recupero energetico dai gas di combustione o per raffreddare CPU e, con ZT > 2-3, per realizzare dispositivi competitivi rispetto ai refrigeratori convenzionali (d)L'idrogenazione può ampliare i già numerosi campi di applicazione delle nanostrutture grafitiche (NG) permettendo la costruzione di nano-devices con specifiche proprietà. Inoltre vi sono ampie prospettive per l'utilizzo di queste nanostrutture nella componentistica elettronica. (e)L'ingegnerizzazione di reazioni di formazione di cluster metallici può portare alla produzione di catalizzatori customizzati (f)La presenza di specie molecolari adsorbite può portare all'ottimizzazione di processi catalitici su superfici
per risposte a bisogni individuali e collettivi:
(a)Lo sviluppo di sofisticati codici di calcolo e la loro distribuzione soddisfa alle specifiche esigenze di numerosi laboratori di ricerca (b)L'interazione ad alogeno può essere utilizzata per l'assemblaggio di sistemi molecolari con specifiche proprietà elettroottiche, consentendo di ottenere materiali competitivi (ad es. per i superconduttori, i cristalli liquidi, l'optoelettronica) (c)La possibilità di realizzare strutture supramolecolari basate su silice opportunamente funzionalizzata al fine di instaurare legami ad alogeno apre nuove prospettive di applicazione nei sistemi che prevedono processi di immobilizzazione superficiale (es. sensoristica, immobilizzazione di biomolecole). (d)I materiali termoelettrici (TE) permettono un risparmio energetico domestico (refrigerazione) e nei trasporti. Un terzo dell'energia del combustibile è persa come calore nei gas di scarico: un dispositivo TE nel tubo di scarico può convertire il calore in energia elettrica, utilizzabile per il condizionamento e l'illuminazione esterna/interna del veicolo (e)L'ingegnerizzazione della reattività chimica permette di ideare processi produttivi meno dispendiosi a livello energetico e di risorse
Competenze, strumentazione, tecniche di indagine e tecnologie :
Competenze (conoscenze possedute dai partecipanti alla commessa rilevanti ai fini del suo svolgimento):
- Diffrazione di raggi X su cristallo singolo a bassa temperatura (<110K) per la caratterizzazione strutturale di materiali e di sistemi supramolecolari di elevata complessità - Metodi computazionali per la simulazione di biomolecole (dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo) e per lo studio delle interazioni fra proteine - Sviluppo algoritmi e programmi, quali i codici PAMoC e TOPOND08 per l'analisi di densita' di carica teoriche e sperimentali ed il calcolo delle proprieta' da essa derivate, ed i codici TRAJ e HAWP per simulazioni di dinamica classica e quantistica - Sviluppo di approcci innovativi alla dinamica quantistica "System-Bath" per sistemi di grandi dimensioni (Local Coherent State Approximation) tipici della gas-surface dynamics - Proprietà elettroniche e spettrali di adsorbati su superfici e sviluppo di approcci teorico/computazionali non convenzionali - Sviluppo di nuovi descrittori chimici (funzione sorgente) - Sintesi di composti metallorganici, di materiali oligomerici e polimerici, inorganici e organici - RMN multinucleare e a sequenze d'impulsi e in stato solido
Strumentazione (dispositivi, apparecchiature o impianti utilizzati per lo svolgimento delle attività):
Per il calcolo ci si avvale di due cluster, rispettivamente di 7 e 16 bi-processori i686, di un cluster di 8 mono-processori i686 e di un cluster di 96 cores (6 nodi di calcolo da 16 core twin Intel Xeon). Per gli studi di diffrazione di raggi X si utilizzano un diffrattometro APEX CCD 2000, dotato di un criostato OXFORD ad azoto liquido, ed un diffrattometro a quattro cerchi Siemens P4 (detector convenzionale), equipaggiato con un criostato CRYODYNE a ciclo chiuso di elio.
Tecniche d'indagine (metodologie per la comprensione di fenomeni o strutture attraverso l'impiego combinato di competenze e strumentazione):
(a) Indagine strutturale mediante tecniche di (i) diffrazione di raggi X, utilizzando diffrattometri a cristallo singolo (con detectors convenzionali e CCD) e basse temperature basse temperature (20-110 K), o sorgenti non-convenzionali quali la luce di sincrotrone (ii) RMN multinucleare e spettroscopia UV (soluzione e stato solido) (b) caratterizzazione delle proprietà ottiche di materiali con spettroscopia UV (stato solido e soluzione) (c) Modellistica molecolare: DFT, TDDFT e metodi ibridi QM/MM (d) Modellistica macromolecolare: dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo e analisi conformazionale (d) Analisi proprietà atomiche e di legame secondo la teoria QTAIM (Quantum Theory of Atoms in Molecules) (e) sviluppo di SW per la QTAIM in vacuo e fase condensta (PAMoC, TOPOND-XX, VALTOPO, XD-2006) (f) Modellistica in fase condensata (tecniche ab-initio periodiche) (g) Sviluppo codice TRAJ per simulazioni classiche e codice HAWP (include l'approssimazione LCSA per lo studio della dinamica quantistica di chemisorbimento) (h) Sviluppo codice "embedding" per lo studio di spettri continui e impurezze isolate
Tecnologie (Metodologie di modellazione o di intervento su oggetti e sistemi):
(a) Codici di calcolo pubblici: GAUSSIAN, GAMESS MOLPRO ed ADF per molecole e supermolecole; CRYSTAL e VASP per sistemi periodici; VALRAY ed XD per l'analisi multipolare dei fattori di struttura; AMBER9, Gromacs3 e Spartan per studi di analisi conformazionale, di simulazione di biomolecole e delle interazioni fra proteine; PEECM per la simulazione dell'intorno via Periodic Electrostatic Embedding Cluster Methods (b) Codici di calcolo proprietari: PAMoC (analisi di densita' elettroniche sperimentali e teoriche); TOPOND (analisi di densita' teoriche di sistemi periodici); ELTRAP per la valutazione di proprietà di trasporto elettronico a partire dalla struttura a bande; TRAJ, per lo studio della dinamica quasi-classica di scattering di atomo/molecola su superficie; HAWP codice time-dependent wave-packet per lo studio dei processi di collisione atomo-adsorbato (diffusione, reazione Eley-Rideal, desorbimento indotto da collisione); EMBEDDING per calcoli di struttura elettronica di sistemi localmente perturbati. (c) Sintesi e caratterizzazione chimica: tecniche di Schlenk per la preparazione di composti organici e inorganici in atmosfera inerte
 
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