Project area

Modelling computazionale (DCM.AD008)

Department

Chemical sciences and materials technology

The quality


La modellistica computazionale è un'attività affermata e consolidata all'interno del DSCTM. In questo ambito, la definizione di un'area strategica dedicata consente di unire, coordinare, organizzare ed ulteriormente ottimizzare l'attività dei ricercatori che operano nell'ambito dello sviluppo di nuovi algoritmi e modelli con applicazioni pratiche nelle simulazioni al computer di molecole, sistemi biologici e materiali. Sicuramente degna di nota è la ampia distribuzione di competenze presenti nel DSCTM, che vanno da accurate simulazioni quantomeccaniche di processi elementari fino alla simulazione ad elementi finiti di sistemi di rilevanza ingegneristica.
Tale area è di fatto un unicum nel contesto del CNR, nonostante le attività di modelling siano presenti in vari Dipartimenti, potendo quindi svolgere un punto di riferimento per il calcolo di area chimica e scienza dei materiali nel CNR e contribuire significativamente a livello Nazionale. Il Progetto 7 raccoglie una notevole mole di personale, distribuito tra CNR (circa 40 unità coinvolte), Universitario associato (>30 unità) e non strutturato (>30 unità) con una un'ottima resa in termini di pubblicazioni scientifiche di alto livello (media per anno <130 pubblicazioni). La distribuzione territoriale degli Istituti CNR di riferimento permette una capillare presenza a livello di iniziative regionali (es. bandi Cariplo, Regione Campania, Regione Umbria). Sono inoltre attivi nell'ambito del area progettuale Modelling diversi progetti Europei e Nazionali, oltre a collaborazione con Istituzioni straniere che finanziano gruppi dell'area modelling. Sussistono inoltre forti connessioni con la piattaforma di calcolo dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), che finanzia attraverso progetti ad hoc diversi gruppi afferenti all'area progettuale.

Goals

L'area progettuale riassume in sé due macro-obiettivi, inerenti, rispettivamente: i) lo sviluppo di nuove metodologie teoriche e computazionali in ambito chimico e di scienza materiali; ed ii) l'applicazione di metodi di calcolo quantomeccanici, classici e multiscala al design e lo screening predittivo di nuovi sistemi con specifiche funzionalità ed alla comprensione atomistica dei fenomeni fondamentali sottostanti al funzionamento di sistemi complessi di interesse nei settori delineati di seguito. Sulla base della vasta esperienza nazionale ed internazionale del personale coinvolto nel progetto, entrambe i macro-obiettivi sono realizzabili in maniera indipendente o interconnessa, garantendo al progetto la necessaria flessibilità per adattarsi di volta in volta alle tematiche di interesse strategico per il DSCTM. Le competenze presenti nel DSCTM sono ben integrate con il sistema universitario ed in alcuni casi anche con il tessuto industriale, aspetto che verrà ulteriormente rafforzato nella prossima evoluzione dell'area progettuale.
I campi di azione e gli obiettivi strategici identificati sono raggruppati, in maniera non esclusiva, come segue:
o Sviluppo metodologico;
o Materiali e processi per energie rinnovabili;
o Molecole e materiali per optoelettronica;
o Nanomateriali per elettronica;
o Beni culturali;
o Sistemi biologici e strutturistica.
Si noti come in larga parte i campi di azione dell'area progettuale corrispondano a linee di intervento con consolidata esperienza dal lato sperimentale nel DSCTM, che si inquadrano perfettamente con gli obiettivi Horizon 2020, fatto che consente di stabilire forti ed auspicabili sinergie con gli altre aree progettuali del DSCTM. Lo sviluppo metodologico va quindi inteso in questo senso come dorsale teorico-computazionale dell'area progettuale, con gli avanzamenti effettuati che ricadono immediatamente nella possibilità di risolvere nuovi problemi applicativi con maggiore efficienza ed accuratezza.

Outline of research in an international context

Il modelling computazionale si è sviluppato negli ultimi dieci anni, da area tipicamente specialistica fino ad assumere una rilevanza strategica riconosciuta da tutti i maggiori enti finanziatori, sia di natura pubblica che industriale. L'impatto avuto dal modelling e dalla simulazione è stato riconosciuto ad esempio dal Premio Nobel per la Chimica 2013 assegnato a Karplus, Levitt e Warshel "per lo sviluppo di modelli multiscala per complesse reazioni chimiche". Le maggiori aziende chimiche (es. BASF) e farmaceutiche (es. Pfizer) hanno oggi un'area dedicata al modelling, la cui funzione primaria è quella di fornire informazioni altrimenti difficilmente accessibili da indagini sperimentali, consentendo inoltre un notevole vantaggio in termini di utilizzo di risorse umane e finanziarie. In ambito accademico esistono svariate iniziative consortili dedicate al modelling (es. MARVEL - Svizzera, dedicato alla scienza dei materiali), con ingenti finanziamenti su base decennale. Esistono inoltre gruppi di stakeholders dedicati al modelling a livello Europeo, come ad esempio quello rappresentato dallo European Materials Modelling Council, che si pone come interfaccia tra i ricercatori operanti nel settore e l'area Key Enabling Technologies della Commissione Europea. Un altro ambito internazionale riconosciuto è quello del Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM) con sede a Losanna, Svizzera, che è un consorzio di vari organismi di ricerca nazionali, in cui l'Italia è rappresentata tra gli altri, dal CNR. Le attività CECAM si esplicano attraverso il coordinamento di iniziative Europee sul modelling e l'organizzazione di workshop tematici per i quali viene fornito sostegno finanziario e logistico. L'organizzazione EuCheMS riconosce il modelling attraverso una divisione dedicata alla Chimica Teorica e Computazionale. Appare quindi chiaro come il contesto internazionale sia particolarmente attivo e ricettivo nei confronti del modelling computazionale.

Outline of research in a national context

Le attività di modelling in ambito nazionale sono rappresentate a vari livelli, principalmente a cavallo tra chimica, fisica, scienza dei materiali (per quanto riguarda simulazioni quantomeccaniche a vari livelli di sofisticatezza) e in ambito biochimico, biologico e strutturistico (principalmente relative a simulazioni di dinamica molecolare classica). Un aspetto sempre più rilevante è quello del'approccio multiscala, in cui da accurate informazioni quantistiche su modelli in scala ridotta si vengono a creare modelli (approssimati) estendibili a scale sempre maggiori sia in termini spaziali che temporali. In ambito prettamente "chimico" operano le realtà organizzate di SNS e INSTM, che insieme a ricercatori DSCTM contribuiscono allo sviluppo di software anche commerciali per simulazioni quantistiche. In ambito fisico e scienza dei materiali opera ad esempio il network CNR-DEMOCRITOS, dedicato allo sviluppo di software per lo stato solido, insieme a svariati Istituti del DSFTM del DSCTM. La Piattaforma Computazionale di IIT opera principalmente in ambito biologico e farmacologico, rappresentando di fatto anche un punto di riferimento per il trasferimento tecnologico in termini di software dedicato. Un aspetto da non sottovalutare, che raggruppa una notevole mole di addetti alla ricerca, è inoltre quello delle simulazioni computazionali per la risoluzione della struttura di proteine, elemento fondamentale in unione ad indagini sperimentali attraverso tutto il tessuto di ricerca nazionale. Infine, competenze riguardo a simulazioni ad elementi finiti per sistemi di interesse ingegneristico (ad esempio turbine) vengono utilizzate in vari ambiti nazionali, dalle Università al CNR. Appare chiaro come il tessuto nazionale sia di altissimo profilo scientifico e come le attività di modelling rappresentino un settore assolutamente strategico. Di fatto, buona parte dei finanziamenti ERC in Italia sono relativi ad attività di modelling computazionale.

Positioning of Cnr

Come menzionato precedentemente il modelling computazionale al CNR si esplica, almeno nella declinazione di simulazioni elettroniche ed atomistiche, a cavallo tra i due Dipartimenti DSCTM e DSFTM. In ambito DSCTM le attività di modelling riguardano sia sviluppo metodologico che applicazioni in tutti gli ambiti rappresentati da obiettivi dell'area progettuale. Mentre esistono sicuramente delle sedi di Istituti DSCTM numericamente prevalenti (es. ICCOM-Pi, IPCF-Pi, ISTM-Mi ed ISTM-Pg), la distribuzione di ricercatori operanti nel settore modelling abbraccia quasi tutti i 14 Istituti afferenti, con la presenza di diverse unità di personale per sede. Particolarmente rilevante è l'infrastruttura di calcolo acquisita indipendentemente dalle varie sedi, che messa insieme rappresenta una potenza di calcolo paragonabile a quella di un centro di calcolo di medie dimensioni (ca. 3000 core computazionali). Queste risorse richiedono, oltre all'iniziale investimento di capitale, una costante manutenzione ed aggiornamento, con la necessità di individuare risorse di personale dedicate. Esistono notevoli interazioni tra il DSCTM ed Istituti o sedi degli altri Dipartimenti operanti nel modelling, in particolare per quanto riguarda il DSFTM. Un aspetto da non sottovalutare è inoltre la capacità di ricercatori DSCTM di attrarre finanziamenti industriali dedicati a progetti di sviluppo ed applicazione dei tecniche di modelling, come ad esempio progetti finanziati da Samsung e Pirelli. La distribuzione territoriale e l'ampia gamma di competenze e strumentazione richiedono un coordinamento a livello organizzativo per ottimizzare le attività di modelling nel DSCTM.

The main activities performed

La rilevante produzione scientifica del modelling computazionale nel DSCTM riguarda ambiti disparati. Punte di eccellenza sussistono nello sviluppo di codici quantistici e multiscala e nella loro applicazione in scienza dei materiali. Un ambito particolarmente sviluppato e fruttuoso in termini di finanziamenti, oltre che di pubblicazioni, riguarda la scienza dei materiali per energia e catalisi. Sussistono inoltre strettissime collaborazioni in campo nazionale ed internazionale con i principali protagonisti in tutti gli ambiti del progetto.
Di seguito vengono brevemente riassunti i punti più significativi:
o Sviluppo metodologico (l'industria Gaussian, leader nello sviluppo di software quantomeccanico)
o Energie rinnovabili (EPFL - M. Grätzel e Dyesol - Inventore e leader mondiale nello sviluppo e commercializzazione di dye-sensitized e perovskite solar cells).
o Molecole e materiali per optoelettronica (Polyhera)
o Nanomateriali per elettronica (Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, USA)
o Beni culturali (Metropolitan Museum NYC, Scientific Dept. Art Institute Chicago)
o Sistemi biologici (Von Humboldt University Berlin)

L'area strategica modelling e le attività ad essa connesse sono fortemente integrate con le Università, tramite strettissime collaborazioni e co-presenza nelle stesse sedi. Alcuni esempi: ICCOM-Pi ha distaccato alcune unità di personale presso SNS; ISTM-Mi opera all'interno ed in collaborazione con l'Università di Milano; ISTM-Pg opera all'interno ed in collaborazione con l'Università di Perugia. In tutti questi casi personale CNR afferente al Progetto collabora sia alla ricerca che ai corsi Universitari e di Dottorato di Ricerca, partecipando come relatori a tesi di Laurea e di Dottorato.

The planned activities

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Thematic area

Chemical sciences and materials technology

Keywords

Modelling multiscala, scienza dei materiali, sistemi biologici

Projects

Last update: 25/07/2024