Infrastrutture di ricerca , strumentazione avanzata e nuove metodologie sperimentali e di calcolo (DFM.AD006)

Project area

Department

Physical sciences and technologies of matter

The quality

Il progetto di costruzione dello Spazio Europeo della Ricerca elaborato dalla UE (EU2020) identifica nelle infrastrutture di ricerca ad accesso aperto uno dei punti chiave per il superamento degli effetti della crisi globale sul sistema economico e sociale europeo. Anche per l'Italia in un momento di sotto-finanziamento della ricerca concentrare una parte dei finanziamenti che il paese mette a disposizione su iniziative di larga scala ed ad accesso aperto può essere una scelta vincente: a condizione che la partecipazione italiana, sia in termini di costruzione che di utenza, venga opportunamente sostenuta e coordinata. Le infrastrutture di ricerca aggregano infatti attività di sviluppo di nuova strumentazione e nuove iniziative scientifiche, mantenendo le competenze tecnico scientifiche del paese ad un livello competitivo con i paesi maggiormente sviluppati. Lo sviluppo di nuove metodologie sperimentali e computazionali, di nuova strumentazione nel campo della fisica e chimica della materia e delle nanotecnologie richiede sempre più ampie aggregazioni di gruppi di ricerca con competenze trasversali e in particolare lo sviluppo di facility aperte all'utenza sia di tipo sperimentale che computazionale. Lo sviluppo di tecnologie per il calcolo ad alta prestazione e per l'immagazzinamento di grandi moli di dati e la capacità di gestirle sono sempre più essenziali per ulteriori sviluppi scientifici nel campo della scienza dei materiali e delle nanotecnologie; accanto agli sviluppi hardware, che nella strategia europea sono principalmente affidati alla rete dei centri di supercalcolo, rivestono particolare importanza le nuove iniziative per lo sviluppo di applicazioni di punta anche in vista della transizione di calcolo e dati verso la exascala. Gli sviluppi indotti da necessità di ricerca in questi campi genereranno ricadute positive anche sullo sviluppo tecnologico del paese e sulle attività produttive.

Goals

Il DSFTM intende consolidare ed incrementare le competenze nella progettazione e realizzazione di strumentazione innovativa e di nuove metodologie sperimentali e di calcolo per estendere la frontiera della conoscenza nella scienza della materia e contribuire al rilancio della competitività delle industrie ad alta tecnologia del paese attive nel campo dei nuovi materiali e delle nanotecnologie ed inoltre in tutti quei settori in cui strumentazione e metodologie sviluppate nel settore della scienza della materia trovano applicazioni dal biomedicale, all'agroalimentare, dall'aerospazio e la sensoristica per l'osservazione della terra e il controllo dei cambiamenti climatici al manufatturiero in generale. A tal fine si intende ampliare lo studio delle proprietà fondamentali della materia incrementando significativamente la risoluzione sperimentale delle tecniche attuali (risoluzione energetica, temporale e spaziale sia per le spettroscopie che per le microscopie), lo studio della materia in condizioni estreme (alte pressioni, alti campi magnetici ed elettrici, alte temperature) e in sistemi modello vicini ai dispositivi reali, la simulazione di sistemi sempre più complessi con nuove strutture e metodi per il calcolo e la modellizzazione. Inoltre per lo sfruttamento delle nuove tecniche sperimentali avanzate sarà necessario possedere una sempre maggiore padronanza delle tecnologie per l'immagazzinamento e l'elaborazione di grandi moli di dati.

Outline of research in an international context

L'Europa ha un ruolo guida nello sviluppo delle grandi infrastrutture per la scienza della materia, che trovano applicazioni in molti campi della scienza e della tecnologia. La sorgente di luce di sincrotrone ESRF alla fine della fase di upgrade aprirà un nuovo capitolo nella scienza con i raggi X, grazie ad altissime risoluzioni spaziali sia per lo studio dei materiali che di sostanze biologiche a livello di pochi atomi e con una coerenza prossima a quella dei laser. Le sorgenti FEL (FLASH-Amburgo, FERMI-Trieste, SPARC-Frascati) e quelle in costruzione (X-FEL-Amburgo, SwissFEL-Villigen) e i laser a impulsi ultracorti dell'Extreme Light Initiative, ELI, permettono scale di tempo dell'ordine di 10-100 femtosecondi, con brillanza superiore di oltre nove ordini di grandezza alla radiazione fornita dagli attuali sincrotroni. rà possibile studiare il comportamento fuori equilibrio della materia e seguire l'evoluzione di fenomeni transitori su scale di tempi proprie delle dinamiche elettroniche intra-atomiche e -molecolari. I limiti delle applicazioni della neutronica, determinati dai flussi da reattori, saranno abbattuti dalla sorgente "a spallazione" ESS- Svezia: l'alto flusso permetterà per ess la comprensione di materiali magnetici e superconduttori rilevanti per il trasporto dell'elettricità e le tecnologie dei mezzi di trasporto. Iniziative come la piattaforma NFFAoEUROPE (Nanoscience Foundries & Fine Analysis) integrano infrastrutture di crescita, nanolitografia, nanocaratterizzazione, teoria e simulazione numerica con le tecniche spettroscopiche di radiazione di sincrotrone, FEL e di neutroni. Lo sviluppo dei metodi e software computazionali in fisica della materia vede l'Europa in posizione di forza nel mondo. Le strategie della UE, coordinate nella ETP4HPC ('European Technology Platform for HPC'), chiedono crescente integrazione tra calcolo, dati, e co-design del software, e sempre maggiore leadership da parte di chi sviluppa e usa applicazioni scientifiche.

Outline of research in a national context

L'attività nelle grande infrastrutture nazionali [Sincrotrone Elettra, la sorgente di raggi X intensi (Star) e i Free Electron laser Fermi e SPARC] è volta allo sviluppo di strumentazione per il trasporto della radiazione, la rivelazione anche risolta in tempo di fasci di radiazione, di elettroni e ioni e lo sviluppo di nuove tecniche spettroscopiche. A supporto delle iniziative internazionali (le sorgenti di neutroni ILL, ISIS e ESS, di radiazione di sincrotrone ESRF, XFEL ad Amburgo, le tre installazioni ELI) nei laboratori italiani si realizzano stazioni sperimentali, rivelatori, e si sviluppano metodi per manipolazione dei campioni, sorgenti laser, spettroscopice e sistemi di acquisizione dati.
Nel settore dei materiali avanzati e delle nanotecnologie l'infrastruttura Beyond nano combina un laboratorio di microscopia elettronica ad alta risoluzione spaziale con una facility per lo sviluppo di hard-matter e di processi di nanofabbricazione top-down e un'altra per processi di nanostrutturazione in soft-matter con approcci bottom-up. A queste attività si affiancano lo sviluppo della strumentazione e delle tecniche di microscopia a scansione a sonda locale con applicazioni sia nelle nanotecnologie che nella diagnostica biomedicale. Questo settore come quelli della sicurezza, archeometria, metallurgia beneficiano degli sviluppi di tecniche di imaging e di diagnostica funzionale non-invasiva. Le metodologie di deposizione di film e per la manipolazione su scala nanometrica e le "best practices" per la dispositivistica sono alla base di laboratori open access presso distretti tecnologici e aree della ricerca. Un dimostratore legato alle grandi infrastrutture è in fase di realizzazione nell'ambito del progetto NFFA.
Nel settore delle applicazioni basate su calcolo e dati ad alte prestazioni stanno sorgendo nuove importanti iniziative a livello nazionale e locale, sempre più rilevanti per le ricerche avanzate nel campo dei materiali e delle nanoscienze.

Positioning of Cnr

Il CNR svolge il ruolo di coordinatore ed aggregatore di iniziative scientifiche per lo sfruttamento delle infrastrutture di ricerca e lo sviluppo di nuove iniziative. In campo internazionale il CNR rappresenta il paese nel management delle infrastrutture della roadmap ESFRI, partecipa alla definizione delle loro caratteristiche e modalità di funzionamento, gestisce i contributi in-kind per beamlines, stazioni sperimentali, rivelatori e sistemi di acquisizioni dati e coordina l'utenza italiana.
Oggi il CNR gestisce nove linee ad Elettra, una a ESRF e due a ILL. Partecipa a tre linee FEL Fermi, è partner della test facility SPARC dell'INFN e del consorzio MATERIA per la realizzazione di STAR a Rende. Partecipa insieme a INFN e Sincrotrone Trieste a 4 progetti ESFRI (Eurofel, ELI, NFFA e ESS) ed è impegnato in alcuni progetti in-kind per stazioni sperimentali a XFEL. Ha inoltre avviato una collaborazione con INFN per attività di tipo ILO che massimizzino il ritorno della partecipazione italiana alle infrastrutture internazionali sul sistema produttivo nazionale.
Attraverso l'infrastruttura Beyond nano (PON Ricerca e Competitività) il DSFTM gestisce laboratori a Catania, Lecce e Cosenza allo stato dell'arte per la fabbricazione di materiali nanostrutturati, la caratterizzazione avanzata strutturale ed ottica, il nano-processing e la simulazione. Gli istituti del DSFTM, spesso in collaborazione con altri dipartimenti, partecipano a laboratori aperti dove strumentazione e competenze danno supporto all'innovazione tecnologica nell'ambito di reti e iniziative regionali, talvolta in distretti industriali (come Dhitech) o consorzi per la ricerca (come Open Lab e MIST E-R).
Nel settore del calcolo, modellistica e simulazioni il DSFTM contribuisce allo sviluppo sia di infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni e cluster distribuiti sia di nuovi metodi teorici e/o computazionali con diffusione mondiale e applicazioni di interesse dalla ricerca di base a quella industriale

The main activities performed

- Sviluppo di strumentazione e tecniche spettroscopiche per lo studio della materia con radiazione di sincrotrone, radiazione FEL, fasci di neutroni e raggi X
- Sviluppo di strumentazione e metodologie nel campo della microscopia elettronica e tecniche di microscopia a scansione a sonda locale
- Sviluppo di nuove tecniche di imaging per applicazioni nei settori della sicurezza, bio-medicale, archeometria, metallurgia e ingegneria
- Sviluppo di metodologie di deposizione di film sottili e super-reticoli
- Sviluppo di nuove tecniche per la manipolazione della materia su scala nanometrica e di nano sensori magnetici superconduttori per applicazioni di nanomagnetismo.
- Sviluppo di nuove sorgenti laser e tecniche spettroscopiche per applicazioni in fotonica e scienza dei materiali
- Metodologie e "best practices" per la dispositivistica
- Sviluppo di nuovi processi per materiali compositi e sistemi microfluidici per applicazioni in ottica e fotonica
- Sviluppo di sistemi per diagnostica funzionale non-invasiva in campo biomedico e nuove tecniche di diagnostica avanzata
- Sviluppo di strumentazione e metodologie nel settore del magnetismo con alti campi
- Sviluppo di reattori e metodologie per le applicazioni di plasmi in scienza dei materiali, ambiente e scienze della vita
- Sviluppo di metodologie e software per simulazioni in scienza e tecnologia della materia.
- Sviluppo di nuovi metodi per il calcolo realistico delle proprietà accessibili sperimentalmente.
- Sviluppo di tecnologie e piattaforme di e-learning

The planned activities

Nel 2016 il DSFTM continuerà le attività in corso. Inoltre si prevede di intensificare le attività svolte ad una migliore definizione della partecipazione italiana a XFEL, in vista della sua prossima apertura, come pure l'impegno per la definizione delle beamline e la progettazione di esperimenti e stazioni sperimentali di ESS. A seguito dell'esercizio di valutazione svolto dalla commissione luce di sincrotrone dell'ente si opererà un'ottimizzazione delle attività presso Elettra. Gli istituti del Dipartimento presenti nel Lazio collaboreranno con ENEA e INFN ad un'azione di coordinamento per l'uso delle infrastrutture di radiazione regionali per l'innovazione tecnologica. Il CNR coordina il progetto europeo NFFA appena finanziato con venti partner in tutti i maggiori paesi europei che prevede lo sviluppo di una infrastruttura delocalizzata a livello europeo per le nanoscienze e la scienza dei materiali in cui l'utilizzo delle tecniche di crescita di materiali, di nanofabbricazione e nanostrutturazione siano strettamente legate all'utilizzo delle capacità di analisi presenti presso le grandi infrastrutture si ricerca. Il CNR coordina 'MaX - Materials at the exascale', una nuova e-infrastruttura europea a cui partecipano dodici partner tra cui i maggiori centri di supercalcolo e i principali gruppi di ricerca impegnati nello sviluppo dei codici per la progettazione dei materiali con metodi quantistici. MaX è uno degli European Center of Excellence for High Performance Computing Applications che assicurano supporto all'utenza scientifica e industriale. Su questa base, il CNR collaborerà con altri enti di ricerca, ministeri e regioni per l'avvio di una nuova iniziativa europea dedicata alle applicazioni HPC come infrastrutture abilitanti per il settore privato e pubblico

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Keywords

Infrastrutture di ricerca, strumentazione avanzata, metodologie innovative, materials design,, modeling, calcolo ad alte prestazioni, rivelatori, data repository, sistemi di acquisizione,, sistemi per imaging, microscopi, spettrometri

Projects

Last update: 23/04/2024