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Previsione Attività
Commessa
Nanoingegneria chimica computazionale e strutturale (NICCS)


  anni:  2006   2007   2008   2009   2010   2011   2012   2013   2014   2015 

Previsione attività anno 2014

Stato avanzamento attività per l'anno 2014
Attività da svolgere:
Modulo 1 1) Si intende preseguire lo studio di derivati alogenati di naftochinoni tramite XRD e calcoli ab initio. 2) Caratterizzazione di polimorfi conformazionali di sostanze organiche di potenziale interesse farmacologico tramite analisi della densità elettronica nello spazio reale. 3) Studio delle proprietà elettroniche e strutturali di fotocatalizzatori nanostrutturati basati su TiO2 drogato sia con non-metalli che con metalli di transizione. 4) E' iniziato lo studio per trovare una procedura per la sintesi stereoselettiva di beta-amminoacidi che contengano in posizione 2,3 un'unità diarilica. 5) Progettazione, preparazione e caratterizzazione strutturale e conformazionale di composti peptidomimetici, capaci di perturbare seletticvamente l'interazione proteina-proteina. Modulo 2 Modellistica molecolare: a) studi computazionali su sistemi push-pull di varia natura, caratterizzati da elevata iperpolarizzabilità e/o significative proprietà emissive in stato solido tramite tecniche TDDFT e CPKS b) studi di composti disegnati per agire come recettori sintetici per il riconoscimento selettivo di anioni, tramite formazione di legami ad alogeno multipli. Tali composti saranno basati su iodoperfluoroareni in grado di agire come recettori tridentati c) studi di indagine sulle proprietà strutturali, elettroniche ed ottiche di addotti halogen-bonded. In particolare si intende affrontare lo studio dell'interazione debole C-X/p (con X=F, Cl, Br e I) d) si intende estendere la metodologia precedentemente sviluppata, basata sull'introduzione di pseudo-atomi nei tradizionali force-field per consentirne l'utilizzo in sistemi halogen-bonded, a problemi di docking relativi a piccole molecole interagenti con proteine tramite halogen bonding. Studi strutturali: Verranno proseguiti gli studi di determinazione sperimentale e analisi topologica della densità elettronica di cristalli assemblati tramite halogen bonding Sintesi e studio delle proprietà chimico-fisiche di: a) Perfluoroalchilioduri funzionalizzati [X-(CF2)-CF2I] quali building blocks in processi di formazione di strutture supramolecolari basate su HaB b) composti X-(CF2)n-(CH2)m-Y contenenti catene perfluorurate e gruppi reattivi in grado di legarsi a superfici di varia natura (vetro, silicio, metallo, polimeri) c) nuovi materiali ibridi basati su silice nanostrutturata contenente gruppi perfluorurati e un secondo sistema in grado di interagire con piccole molecole polari o non polari per il loro adsorbimento selettivo, da utilizzare come microarray. d) sintesi di composti organometallici atti a formare HaB in strutture supramolecolari Modulo 3 Materiali H-storage: si completerà tramite approccio Interacting Quantum Atoms, lo studio sulla comprensione del disordine strutturale nelle fasi ad alta T dei MBH4 (M=metallo alcalino) Batterie al Li: si applicheranno a materiali per catodi con matrice organica, descrittori tipo FS e indici di delocalizzazione, per caratterizzarne le proprietà di delocalizzazione elettronica, in relazione alla capacità di de-intercalare Li Cemento: ulteriori modelli atomistici di CaO-SiO2-idrati e calcolo ab-initio DFT dello spettro 29Si, 17O, 43Ca, 27Al NMR Proprietà di sistemi in fase condensata ad alta pressione: studio di Na2He Muon-spin rotation: interpretazione misure mu-SR di MnF2, NiF2 e grafene idrogenato Descrittori: a) Funzione Sorgente (FS): si continuerà, a livello di sviluppo codici, l'estensione a densità spin-polarizzate. b) Interazioni non covalenti tramite descrittore basato su RDG: si svilupperanno le potenzialità del codice NCImilano Link fra onde piane e basi gaussiane: Calcolo di popolazioni, DOS risolte per atomo e orbitale per solido confronto fra codici PW e basi localizzate. Implementazione Exact EXchange su BG. Forze intermolecolari deboli: si calcoleranno le PES degli stati fondamentali ed eccitati per la serie M+-He (M=Be, Mg, Ca, Se, Ba). Nanoparticelle di Au: Individuazione di criteri di correttezza dell'energia dei trimeri Au3 nelle basi tri- e quadri-atomica, iniziando dal comportamento asintotico e dall'effetto dell'estensione off-center della base. NanoGraFeni: studio di strutture difettuali su GF, della loro influenza sulle proprietà elettriche/magnetiche del GF e sulle proprietà di trasporto. Studio della possibile localizzazione elettronica indotta dall'idrogenazione analizzando le proprietà elettroniche di sistemi disordinati con tecniche iterative recursion e le loro proprietà di trasporto con approccio quantum-Kubo-Greenwood. Si considereranno elettrodi di materiali di interesse applicativo e si studierà la geometria di equilibrio e la resistenza elettrica dovuta all'ancoraggio della giunzione. Poliaceni: si analizzerà l'energetica (gap S-T e S-Q) in funzione del numero/simmetria degli orbitali attivi dei conti CAS-SCF e la si calcolerà più accuratamente tramite metodi perturbativi CASPT2 o MRQDPT, a partire da funzioni d'onda CAS-SCF e estendendo i conti alla base cc-pVTZ
Punti critici e azioni da svolgere:
MODULO 1: Nell'ambito dello studio sperimentale del polimorfismo e delle cinetiche di cristallizzazione di piccole molecole organiche è di fondamentale importanza acquistare un termostato a ricircolo di acqua in grado di garantire un preciso controllo della temperatura (± 0.1 K) sia in condizioni stazionarie che di gradiente termico. Presso il laboratorio di cristallizzazione del dr. Lo Presti sono già disponibili dei reattori incamiciati in vetro per effettuare tali prove di cristallizzazione in condizioni controllate, ma al momento non è stato possibile acquisire la detta apparecchiatura per mancanza di fondi. MODULO 2: I principali punti critici riguardano la gestione e manutenzione della strumentazione utilizzata nel modulo sia per l'attività computazionale che per quella sperimentale. A livello sperimentale occorre considerare che il criostato OXFORD CRYOSYSTEM, attualmente in uso, ha manifestato in passato problemi di stabilità, ed essendo ormai fuori produzione da alcuni anni dovrà essere presumibilmente sostituito. Inoltre il consumo di azoto liquido, circa 4000-5000 litri di azoto liquido/anno, rappresenta la voce più costosa della gestione del laboratorio raggi X. Si tratterà quindi di valutare in futuro se sostituire l'attuale criostato. Per quanto riguarda gli studi modellistici, il principale punto critico è rappresentato dalla necessità di trattare sistemi altamente complessi, sia a livello monomerico che in fase aggregata, utilizzando approcci rigorosi che permettano di ottenere risultati attendibili a livello quantitativo sulle proprietà geometriche, energetiche ed ottiche dei sistemi esaminati. Ciò richiede il continuo aggiornamento delle risorse di high-performance computing. Tale difficoltà è stata recentemente in parte superata grazie all'acquisto di un cluster di 96 processori Intel Xeon (progetto finanziato da Fondazione Banca del Monte di Lombardia). Verranno reiterate inoltre le richieste di tempo di calcolo presso i consorzi italiani di supercalcolo Cilea, Caspur e Cineca, recentemente accorpati in un unico consorzio a seguito dei provvedimenti di razionalizzazione della spesa pubblica. MODULO 3 Materiali TermoElettrici (MTE): Discrepanze tra descrizioni ab-initio periodiche che utilizzano metodi PW e metodi a base locale. Confronto necessario con densità sperimentali da dati di diffrazione a raggi X (anch'esse presentano ambiguità essendo grandezze derivate attraverso modelli di raffinamento di fattori di struttura di raggi X) Nanoparticelle di oro: I punti critici dell'attività da svolgere nel 2012 sono: l'individuazione dei criteri con cui definire le energie CASSCF(4,4)-MCQDPT/cc-pVDZ di Au3 che sono andate a convergenza su soluzioni non corrette e 2) la strategia per ottenere le energie corrette. Sarà da verificare che i criteri e la strategia che hanno avuto successo nel trattamento dei dimeri, lo abbiano anche nel trattamento dei trimeri. Nanografeni: per quanto riguarda il trasporto elettronico in nanogiunzioni, un limite che si potrà presentare è relativo alla presenza di contributi anelastici e decoerenti nel trasporto di carica e di spin. Poliaceni: L'analisi dell'energetica CAS-SCF dei poliaceni in funzione del numero e della simmetria degli orbitali attivi è resa difficile dal differente trattamento che hanno stati di diversa simmetria di spin in termini di numero di configurazioni che a sua volta dipende dalla scelta delle specie di simmetria degli orbitali attivi. Per ciò che riguarda i calcolo più accurati dell'energetica, la disponibilità di risorse hardware e software rappresenta il maggior punto critico.
Risultati attesi nell'anno:
MODULO 1-3 - Pubblicazioni su riviste internazionali ad alto IF - Comunicazioni a congressi internazionali e nazionali - Possibili brevetti - Contributi a libri MODULO 1 1)Lo studio in fase solida e gassosa dei derivati perfluoroalchilati di naftochinoni (a loro volta derivati della vitamina K3), il confronto di questi risultati con quelli ottenuti sui derivati clorurati e l'applicazione della Teoria Quantistica degli Atomi nelle Molecole alle distribuzioni di densità elettronica corrispondenti consentirà di individuare le relazioni attività-struttura di questa importante classe di molecole che presentano una grande varietà di proprietà farmacologiche, tra cui effetti anticanro, antivirali e antifungali. 2)Lo studio sperimentale e teorico del polimorfismo conformazionale in cristalli molecolari organici consentirà di ottenere preziose informazioni sugli effetti del differente intorno cristallino sul legame chimico. 3)Ci si aspetta che lo studio tramite tecniche sperimentali e teoriche ad ampio spettro di composti nanostrutturati basati su TiO2 in presenza di vari droganti a differente concentrazione fornisca indicazioni per razionalizzare quali sono gli effetti chiave che rendono conto delle proprietà di assorbimento e fotocatalitiche osservate in laboratorio 4)Caratterizzazione strutturale tramite diffrazione di raggi X da cristallo singolo di derivati 2,3-Diaryl- di beta-aminoacidi 5)Caratterizzazione strutturale di composti organici peptidomimetici di tipo dipeptide semi-rigido Glicina-Prolina MODULO 2: Si prevede di ottenere risultati sul legame ad alogeno C-X/p, dove il benzene, variamente sostituito, funge da accettore di legame ad alogeno mentre come donatore si esamineranno diversi sistemi PhX dove il fenile è variamente sostituito. Si determineranno le energie di interazione a livello CCSD(T), MP2 e DFT, testando sia funzionali standard, quali B3LYP, PBE, B98 ed MPWLYP, sia altri funzionali sviluppati ad hoc per descrivere le interazioni intermolecolari (B97D, M06-2X e la famiglia wB97D). Si prevede inoltre di ottenere risultati su un sistema PPV-like, che mostra peculiari proprietà emissive in stato solido grazie all'instaurarsi di interazioni arile-perfluoroarile Si prevede inoltre di completare la determinazione della densità elettronica sperimentale del sistema autoassemblato basato sull'interazione I…N, risolvendo in particolare i problemi connessi all'estinzione, particolarmente significativi in presenza di atomi pesanti (I). La densità sarà analizzata topologicamente, confrontando i risultati con i valori teorici relativi a catene di dimeri, trimeri e tetrameri, al fine di valutare eventuali effetti cooperativi dell'interazione. Si prevede infine di ottenere risultati nell'ambito della sintesi dei composti "precursori". Si prepareranno perfluoralchilioduri funzionalizzati, composti funzionalizzati di silicio contenenti catene perfluorurate e composti organometallici in grado di costruire architetture supramolecolari basate su legami ad alogeno. Ne verrà condotta la caratterizzazione e lo studio del comportamento chimico fisico con particolare riferimento all'interazione con piccole molecole. MODULO 3: Materiali H-storage: comprensione a livello enegetico atomistico del disordine strutturale nelle fasi ad alta T dei tetraboroidruri dei metalli alcalini Cemento:confronto critico tra due modelli microscopici (Ulm-Pellenq vs Ayuela-Dolado) Proprietà, struttura elettronica e legame chimico di sistemi in fase condensata ad alta pressione: analisi del legame chimico in Na2He Descrittori: a)Funzione Sorgente (FS): scrittura lavoro su capacità della FS di rivelare effetti di coniugazione quando applicata a densità sperimentali b)Interazioni non covalenti: pubblicazione del relativo codice di calcolo. c)Sviluppo codici FS su densità spin-polarizzate d)Proiezione onde piane–gaussiane; Mulliken e Löwdin populations; DOS proiettate. Forze intermolecolari deboli: Calcolo del potenziale di interazione dei primi 8 stati eccitati per la serie M+-He (M=Be, Mg, Ca, Sr, Ba) e simulazione delle proprietà dinamiche e spettroscopiche. Pubblicazione dei risultati su riviste ISI. Nanoparticelle di oro: Criteri di correttezza e strategia di correzione delle energie dei trimeri Au3 nelle basi tri- e quadri-atomica a livello CASSCF(4,4)-MCQDPT/cc-pVDZ con riferimento all'andamento asintotico dell'energia a tre corpi. Insieme completo di energie dei trimeri Au3. Nanografeni: Completamento dello studio teorico dell'influenza di difetti chimici e geometrici sulle proprietà di trasporto in nanoribbon di grafene. Resistività elettronica dovuta agli ancoraggi di strutture grafeniche su differenti substrati metallici (Au, Ti, leghe) e grafenici, da confrontare con risultati sperimentali. Poliaceni: Ottimizzazione dello sforzo computazionale (rapporto tra accuratezza nella determinazione dei gap e costo computazionale). Comprensione dell'influenza delle scelte soggettive sull'accuratezza energetica nei conti CAS-SCF
Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate:
MODULO 1: Il modulo ha recentemente ricevuto il finanziamento PRIN 2010-2011 sul tema "Studi di frontiera in spettroscopia e dinamica molecolare: da sistemi molecolari semplici ad aggregati supramolecolari e materiali avanzati", all'interno dell'Unità Operativa Locale del Politecnico di Milano (Coordinatore nazionale: Prof. W. Caminati, Università degli Studi di Bologna; Coordinatore Unità Locale: Prof. G. Resnati, Politecnico di Milano). Il progetto è partito all'inizio del 2013 e sarà operativo per un triennio. È stato conseguito un grant LISA (Laboratorio Interdisciplinare per la Simulazione Avanzata) cofinanziato da Regione Lombardia e dal Consorzio CINECA per l'acquisizione di tempo-macchina in sistemi avanzati di calcolo scientifico parallelo. Si sta valutando infine l'opportunità di applicare a progetti di carattere Europeo (ERC Consolidator Grant / Marie SkBodowska Curie grant). MODULO 2: Il modulo ha ottenuto il finanziamento per un progetto bilaterale Italia – Moldavia (Academy of Sciences), attualmente in corso, e per numerosi progetti di High Performance Computing presso il Consorzio Nazionale di Supercalcolo Cineca (2010-1013). Il modulo, unitamente al modulo 1, ha recentemente ricevuto il finanziamento PRIN 2010-2011 sul tema "Studi di frontiera in spettroscopia e dinamica molecolare: da sistemi molecolari semplici ad aggregati supramolecolari e materiali avanzati", all'interno dell'Unità Operativa Locale del Politecnico di Milano (Coordinatore nazionale: Prof. W. Caminati, Università degli Studi di Bologna; Coordinatore Unità Locale: Prof. G. Resnati, Politecnico di Milano). Il progetto è partito all'inizio del 2013 e sarà operativo per un triennio. Sono stati inoltre reiterati i tentativi di ottenere ulteriori finanziamenti tramite progetti regionali (Cariplo, Regione Lombardia, Regione Veneto), nazionali ed europei (VII programma quadro, Progetti Bilaterali) nelle diverse tematiche (es. nanotecnologie, processi, modeling) in cui il gruppo di ricerca potrebbe dare un significativo contributo. Il nostro massimo impegno va inoltre alla ricerca di collaborazioni con aziende private che operano nel settore specifico dei materiali fluorurati e nel settore dei trattamenti superficiali. Il laboratorio di raggi X è inoltre disponibile per la determinazione strutturale di sistemi di interesse presso ditte private. MODULO 3 Center for Materials Cristallography (CMC):Nel corso del 2013 sono stati svolti i seguenti compiti in vista della prosecuzione del progetto Center of Materials Crystallography (CMC), finanziato per gli anni 2010-2014 dalla Danish National Research Foundation (DNRF). In particolare: a) sono state completate le relazioni relative all'attività dei primi due anni e mezzo del progetto in vista dell'esame di mid-term (svoltosi a giugno 2013); b) sono state elaborate e presentate le relazioni relative all'attività prevista per gli anni 2015-2019, nel caso di accettata prosecuzione del progetto; c) sono state fatte due relazioni da C. Gatti in concomitanza con il conferimento del premio Aminoff 2013 di fronte al CMC ad Aarhus ed una speciale presentazione/discussione di fronte al Presidente e ad un scientific panel board della DNRF, sempre ad Aarhus nel mese di aprile; d) è stato sostenuto da Carlo Gatti , a giugno 2013, un esame di mid-term ed un esame di presentazione dell'attività prevista 2015-2019 di fronte ad un pannello di referee internazionali; e) Davide Ceresoli e Carlo Gatti hanno tenuto due conferenze orali in occasione del meeting CMC di giugno (sempre ad Aarhus). Gli esami di mid-term e di presentazione dell'attività prevista per il futuro sono stati giudicati, nel loro complesso, positivamente dai referee internazionali. Successivamente a settembre 2013, la DNRF ha comunicato la decisione di un'estensione del progetto per gli anni 2015-2019, con finanziamento per il CNR pari a circa il 70% in più di quanto previsto per il quadriennio precedente. A Carlo Gatti, nel quadriennio 2015-2019, è stato affiancato come project investigator ufficiale Davide Ceresoli, rafforzando così la presenza del CNR-ISTM all'interno di CMC. Cemento, Descrittori in onde piane, Nanoparticelle di oro, nanografeni: Richiesta di tempo di calcolo al centro di calcolo CINECA. Partecipazione al prossimo bando PRIN. Sistemi debolmente interagenti: Richiesta di tempo di calcolo a CASPUR
 
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