Research activities

Le attività scientifiche svolte presso le varie sedi di CNR-ICCOM si declinano in accordo con le linee di ricerca del Dipartimento DSCTM.

CNR-ICCOM svolge attività di ricerca nel campo della Chimica Verde e Processi Sostenibili, al fine di sostenere l'industria nello sviluppo di nuove metodologie di processo e di agevolare una transizione da un modello di economia lineare ad una circolare, fornendo nuovi know-how e concetti, e sviluppando tecnologie innovative. QLe principali attività in quest'area tematica includono: sviluppo di tecnologie di processo a basso impatto ambientale, costo energetico ed economico, per la produzione di intermedi e prodotti chimici di interesse industriale; lo sviluppo di nuovi processi e composti chimici che utilizzino materie prime rinnovabili, in primo luogo derivanti da biomassa vegetale non edibile, come sostitutivi di quelli tradizionali di origine petrolchimica; lo sviluppo di tecnologie chimiche e processi catalitici (omogenei, eterogenei, elettrocatalitici e fotocatalitici) efficienti e sostenibili; il recupero e riutilizzo di componenti e metalli rari da materiali magnetici e dalle batterie al litio; l'applicazione della chimica teorica e modelling computazionale per la comprensione dei meccanismi di reazione ed intermedi di rilevanza catalitica. L'obiettivo unificante è di contribuire alla decarbonizzazione del sistema industriale ed alla creazione di nuove filiere produttive green (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-verde/).

CNR-ICCOM contribuisce con attività di ricerca dedicate allo sviluppo dell'iniziativa internazionale Mission Innovation, lanciata a livello internazionale all'interno di COP21, con l'obiettivo di promuovere la ricerca e sviluppo e di realizzare tecnologie energetiche rinnovabili per la carbon neutrality. Questi obiettivi sono stati estesi nel 2021 ad iniziative quali il Green Deal dell'Unione Europea e al Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), che supportano interventi di elevata intensità economica per lo sviluppo di sistemi di produzione, stoccaggio e conversione di energia rinnovabile e per il risparmio energetico. Le principali attività riguardano la chimica per la produzione di idrogeno (idrogeno da elettrolisi di acqua, nuovi materiali a base di carbonio per reazione di riduzione di ossigeno, generazione elettrochimica di idrogeno e prodotti chimici da biomasse, produzione di idrogeno tramite deidrogenazione catalitica, fotocatalisi per water splitting, reforming/steam reforming), lo sviluppo di celle a combustibile innovative (a bassa temperatura con membrane alcaline ad alta densità di potenza a impatto limitato o nullo sui materiali critici, celle a combustibile ad alcol diretto - DAFC) e di dispositivi fotovoltaici avanzati (DSSC e concentratori solari luminescenti, modelling e sviluppo di materiali anche CRM-free, studio di coloranti innovativi e metodi elettrochimici), lo sviluppo di chimica e tecnologia per solar fuels (dispositivi per la fotosintesi artificiale, sistemi di conversione a bassa temperatura, sistemi antenna e film semiconduttori) e di sistemi avanzati per accumulo termico, quali batterie termiche per applicazioni "power-to-heat" con sali ammoniacali o liquidi ionici (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-per-le-energie-rinnovabili/).

Le attività di design, sintesi, caratterizzazione avanzata e studio computazionale di materiali svolte da CNR-ICCOM si applicano in diversi settori della chimica e della fisica, con forti interazioni e sinergie con le altre aree tematiche, quali la chimica per l'energia, la chimica verde e processi sostenibili, la chimica per la salute e le scienze della vita e la conservazione dei beni culturali, grazie alle ampie competenze sperimentali e teoriche disponibili. Le principali classi di materiali studiate includono catalizzatori eterogenei e nanoparticelle, materiali a base polimerica e loro micro e nanocompositi, materiali 2D eventualmente funzionalizzati e loro nanocompositi polimerici, Metal Organic Frameworks (MOFs). I vari sistemi sono ottenuti tramite approcci di sintesi e reazioni di modifica post-polimerizzazione, e caratterizzati con metodi spettroscopici (FT-IR, UV-vis, spettroscopia di fluorescenza, NMR, EPR, Raman) di microscopia (SEM, TEM), tecniche in grado di fornire informazioni circa le prestazioni termiche, meccaniche e funzionali (DSC, TGA, OIT, dinamometro) e calcolo teorico e computazionale predittivo. Ampie competenze nella spettroscopia non lineare applicata anche ai materiali, insieme alle tecniche di studio in condizioni di alte pressioni, sono garantite dai ricercatori CNR-ICCOM con sede di lavoro presso LENS-Università degli Studi di Firenze (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-per-materiali-innovativi/).

La cura di patologie rare ed invalidanti è una delle sfide per le Scienze della Salute del terzo millennio. CNR-ICCOM svolge attività di ricerca che intendono favorire lo sviluppo della medicina di precisione e approcci meno invasivi per la cura delle malattie, includono ad esempio lo sviluppo di nanoparticelle magnetiche (NP) funzionalizzate come agenti terapeutici, nanomateriali 2D per lo studio e la terapia del cancro, tecniche di modeling molecolare e spettroscopia computazionale applicata allo studio degli acidi nucleici, studio di idrogeli per la rigenerazione di tessuti cartilaginei, metodi avanzati per la caratterizzazione di nuovi preparati farmaceutici, estrazione e utilizzo di estratti di piante (polifenoli) con attività antiossidante, antivirale e antibatterica. Gli obiettivi previsti sono in linea con le tematiche di Horizon Europe 2021-2027, con il Piano Nazionale della Ricerca (2021-2027) e con il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNNR) che si propone di contribuire a sviluppare nuove terapie e metodologie di prevenzione e diagnosi (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-per-la-salute-e-le-scienze-della-vita/).

CNR-ICCOM sviluppa presso ABC-Lab della Sede Secondaria di Pisa nuove metodologie e strumentazioni per la determinazione e caratterizzazione di elementi, specie chimiche e biomolecole a livelli di tracce ed ultra tracce in campioni biologici, clinici e ambientali mediante metodi di spettrometria atomica, elettrochimici, cromatografici e tecniche separative accoppiate a rivelatori UV/visibile, fluorescenza, spettrometria di assorbimento e fluorescenza atomica, e spettrometria di massa. Tra le varie linee di ricerca si possono ricordare lo sviluppo di metodi per l'analisi di proteine, amminoacidi e metaboliti, la caratterizzazione multi-tecnica di polimeri, biomateriali e materiali proteici, lo sviluppo di metodi di estrazione di polifenoli, sostanze bioattive e proteine da materiale di scarto. Presso il laboratorio MaRS-Lab della Sede Secondaria di Pisa vengono sviluppate tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR) e di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) ed applicate allo studio di materiali organici, inorganici o compositi di interesse biologico, biomedico, tecnologico o ambientale. Di particolare rilevanza sono gli studi spettroscopici relativi alla caratterizzazione strutturale e dinamica di materiali inorganici per il fotovoltaico (perovskiti), l'edilizia sostenibile (cementi), la catalisi, la separazione e lo stoccaggio di gas e l'accumulo termico; l'applicazione della spettroscopia ssNMR del carbonio-13 per lo studio della sostanza organica nei suoli, nelle biomasse e nei rifiuti solidi urbani; la caratterizzazione della struttura, della dinamica e delle proprietà di fase di materiali organici molecolari (ad es. cristalli liquidi) e polimerici come elastomeri e gomme, polimeri antifiamma per tessuti, etc. (http://www.iccom.cnr.it/it/sviluppo-di-metodi-per-la-chimica/).

CNR ICCOM è impegnato con attività all'avanguardia nella Chimica e Metodi Analitici per la Conservazione dei Beni Culturali, svolte presso il Laboratorio di Spettroscopia Laser e Applicata (ALS-Lab) della Sede Secondaria di Pisa. I ricercatori lavorano da almeno 20 anni per l'istituzione di una cultura della conservazione del patrimonio culturale, basata sull'applicazione delle più avanzate tecnologie scientifiche per la tutela dell'arte e dell'archeologia, applicate per l'analisi di reperti provenienti dalla preistoria alla modernità fino all'arte contemporanea. Principalmente, l'attività di ALS-LAB è dedicata allo sviluppo di metodi innovativi basati sulla spettroscopia laser per l'analisi non invasiva di opere d'arte. Il laboratorio è dotato di sofisticati strumenti analitici da banco e mobili per l'analisi dei Beni Culturali, quali ad esempio: strumento LIBS portatile a doppio impulso (Modì), dotato di sistema di mappatura 3D; strumento micro-Raman con tre diverse sorgenti (532, 633 e 785 nm) per analisi Raman e SERS; sistema Raman portatile per misure in situ; strumento XRF portatile; sistema multispettrale per analisi imaging in situ (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-per-la-conservazione-dei-beni-culturali/).

CNR-ICCOM è attivo nei campi della Chimica Teorica e Computazionale. I ricercatori del laboratorio ThC2-Lab della Sede Secondaria di Pisa sviluppano nuovi modelli e metodi teorici e computazionali per applicazione allo studio di sistemi e processi rilevanti per la chimica e la biologia dei materiali, con descrizione completamente dinamica dei fenomeni oggetto di indagine. Tra le principali attività e campi di applicazione vanno ricordate ad esempio: studio delle proprietà ottiche di coloranti molecolari in ambienti complessi; studio di sistemi modello per celle solari sensibilizzate con coloranti e fotosintesi artificiale; simulazione della struttura, crescita e proprietà di nanocluster metallici e nanoleghe, sia liberi che come sistemi colloidali e supportati per catalisi eterogenea; studio di materiali a base di ossido a bassa dimensionalità (2D); simulazione di ancoraggio di frammenti molecolari e biologici su cluster e superfici eterogenee; metodi DFT, post-HF, QM/MM ibrido, approcci ad onde piane per solidi, modelli di solvatazione impliciti ed espliciti, dinamica molecolare classica e quantistica (MD); sviluppo di codici open source condivisi con la comunità scientifica.
Le attività del Gruppo Struttura Reattività e Riconoscimento (SR&R) presso la Sede di Sesto Fiorentino combinano metodologie computazionali (Metodi DFT, QM/MM, dinamica molecolare classica e quantistica) con approcci sperimentali per approfondire la chimica alla base di processi sostenibili e materiali nel campo della Chimica Verde e Chimica per la Salute. I principali temi di ricerca comprendono studi meccanicistici di reattività chimica e progettazione di nuove reazioni catalitiche; simulazione di macromolecole biologiche in presenza di cofattori; caratterizzazione e modellizzazione di interazioni deboli alla base dei processi supramolecolari; design di nuovi materiali 2D funzionalizzati; applicazione di tools di biologia strutturale e chimica molecolari utili a rivelare e/o progettare (nuove) relazioni struttura-funzione (http://www.iccom.cnr.it/it/chimica-teorica-e-computazionale/).