Scienze fisiche e tecnologie della materia

Contesto

Macroarea tematica

I materiali innovativi ed i dispositivi basati su di essi e su strutture sempre più sofisticate costituiscono la base portante di tutte le tecnologie, sia attuali che future, con applicazioni che vanno dalle comunicazioni ai trasporti, dalla elaborazione e immagazzinamento dell'informazione alla biologia e medicina, dal settore agro-alimentare fino al settore aero-spaziale. Per sostenere la sfida rappresentata dagli scenari tecnologici più innovativi è necessario prima di tutto far avanzare la ricerca fondamentale, lavorando in maniera fortemente interdisciplinare e sfruttando le sinergie possibili tra fisici, chimici ed esperti dei vari settori per i quali si vogliono sviluppare materiali e dispositivi "dedicati".
La multi- ed inter-disciplinarietà ai massimi livelli sono anche necessarie per procedere allo sviluppo delle cosiddette tecnologie convergenti NBIC (nano-bio-info-cogno), che sembrano rappresentare il futuro tecnologico, e di cui la macroarea dei materiali e dispositivi rappresenta uno dei pilastri. NBIC, infatti, comprende nanoscienze e nanotecnologie, biotecnologia e biomedicina, information technology, scienze computazionali avanzate, comunicazioni e scienze cognitive, includendo anche le neuroscienze. I documenti più recenti, prodotti con il supporto della National Science Foundation, USA, indicano nel 2020-2025 il termine entro il quale la convergenza avrà dato compiutamente i propri frutti e sarà alla base di molteplici attività produttive e sociali. E' dunque strategico che non solo il CNR, ma il sistema Italia, inizi ad investire nuove risorse in queste aree.

Contesto nazionale

La ricerca scientifica italiana nel campo delle scienze della materia è di rilevanza internazionale, e ha ottenuto numerosi riconoscimenti, sia per i singoli ricercatori che per gli Istituti e laboratori di appartenenza.
Riferendosi ai Progetti del Dipartimento, si può segnalare che: i) le competenze e le attività sviluppate in biofisica e soft matter identificano un'area progettuale, rivolta principalmente a processi di autoaggregazione in strutture mesoscopiche complesse con straordinarie proprietà di resistenza e/o adattamento, nella quale i ricercatori italiani hanno ricevuto importanti apprezzamenti a livello internazionale; ii) in Italia la ricerca nel campo dei sistemi complessi presenta un livello di eccellenza diffuso sul territorio e, in ambito CNR, esistono Centri di Ricerca e Sviluppo competitivi rispetto ad analoghi Centri all'estero; iii) nel settore dell'ottica e della fotonica possono essere citate numerose attività di punta, dallo sviluppo di laser ad impulsi ultracorti, di sorgenti di radiazione coerente nell' IR ed UV (riferite a generatori di "pettini" di frequenza), allo studio delle proprietà quantistiche della luce per tecnologie di trasmissione e manipolazione dell'informazione, della fisica di atomi a bassissima temperatura, e delle tecniche innovative di diagnostica ottica; iv) le strutture a livello nazionale che svolgono ricerca nei campi della nanoelettronica, sensori e microsistemi vantano una notevole e consolidata visibilità internazionale, come dimostrato dal fatto che esse coordinano diversi progetti Europei con la partecipazione di importanti laboratori di ricerca pubblici e privati (LETI-CEA, IMEC, AMD, ecc.); a livello di realtà industriali, va segnalata la forte collaborazione del Dipartimento con una delle maggiori aziende mondiali di semiconduttori presenti in Italia; v) la ricerca italiana in magnetismo e superconduttività ha una tradizione ormai ben consolidata a livello internazionale, come risulta dai rilevanti contributi forniti, sia teorici che sperimentali, e dai numerosi riconoscimenti ottenuti. La possibilità di mantenere nei suddetti campi l'alto livello di competitività è legata al mantenimento di una politica di adeguati investimenti sulla ricerca nei prossimi anni.

Contesto internazionale

Per quanto riguarda i contenuti dell'attività di ricerca, la collocazione del Dipartimento è centrale rispetto a tematiche che sono riconosciute come prioritarie anche a livello internazionale. Tra gli obiettivi di questa macroarea vi è infatti lo sviluppo di molte tecnologie abilitanti, che sono un mattone fondamentale nella costruzione di dispositivi e sistemi che trovano applicazione in settori di grande peso economico, produttivo e sociale, quali la sicurezza, la salute, l'ambiente, l'energia, le comunicazioni, i trasporti. In generale, la scienza della materia ha un impatto enorme sia sulla produzione di nuova conoscenza che sullo sviluppo di nuove tecnologie, con importanti effetti dal punto di vista della crescita della società, dell'innovazione culturale e tecnologica e della formazione. Estremamente rilevante è il ruolo che può giocare il Dipartimento sulla priorità "industrial leadership" della programmazione Europea Horizon 2020. All'interno di essa, infatti, viene data una notevole importanza agli interventi indirizzati verso il potenziamento delle key enabling technologies (KETs), ovvero quell'insieme di competenze e tecnologie (micro- nanoelettronica, fotonica, materiali avanzati, nanotecnologie, biotecnologie, manifatturiero avanzato) identificate come cruciali per il progresso Industriale dell'Europa. Il DSFTM può incidere significativamente nella suddetta strategia per tre ottime ragioni. La prima riguarda la stretta correlazione tra i temi di ricerca in corso negli Istituti e le KETs di Horizon 2020. Lo sviluppo di materiali avanzati e delle correlate tecnologie di nano-lavorazione, rese possibili dall'impiego di tecniche di indagine della materia state-of-the-art, sono elementi chiave per agganciare lo sviluppo atteso in settori strategici, ad alto tasso di crescita, dell'economia mondiale. La seconda riguarda l'esistenza di forti sinergie tra il DSFTM ed importanti realtà Industriali presenti nel nostro Paese ed attive nel campo delle KETs. A tal riguardo, vale la pena sottolineare che alcune delle sedi operative degli Istituti del Dipartimento sono collocate all'interno di Aziende che operano nei settori di riferimento. In alcuni casi accade il contrario nel senso che sono le stesse Aziende che decidono di distaccare parte del proprio personale all'interno delle strutture del DSFTM. La terza ragione è legata alle competenze degli Istituti del Dipartimento rivolte alla progettazione e realizzazione di strumentazione avanzata e di grandi infrastrutture di ricerca. In tal senso il DSFTM assume un ruolo cruciale nel collegamento tra la ricerca scientifica e l'esplorazione di possibili applicazioni tecnologiche attraverso la creazione di facilities scientifico-tecnologiche di larga scala, intese anche come strutture di servizio verso altri Enti e/o partner Industriali. Vanno in questa direzione, per esempio, l'infrastruttura multi-polo già operativa Beyond-Nano e il progetto di realizzazione di una facility nanotecnologica presso l'Area di Ricerca di Tor Vergata in fase di sviluppo, entrambe in grado di fornire un sistema di servizi rivolto al cutting edge della ricerca sui materiali e allo sviluppo di sofisticate metodologie di processo top-down e bottom-up fondamentali per la realizzazione, anche su larga scala, di nano-microdispositivi innovativi applicabili a settori di interesse strategico per valenza sociale ed economica, come l'energia, la sicurezza, la salute.

Altrettanto strategica è l'area della fotonica, il cui scenario europeo è descritto in maniera dettagliata nel documento della European Technology Platform "Photonics 21".
Analizzando lo scenario internazionale nelle aree corrispondenti agli altri Progetti del Dipartimento, è possibile rilevare che:
- L'abbinamento degli studi sulla "Soft Matter" con quelli biofisici sulla struttura e sui meccanismi di funzionamento dei sistemi biologici rappresenta un'area progettuale di grande interesse a livello internazionale per la ricerca di nuovi materiali compositi contenenti biomolecole, per lo sviluppo di dispositivi basati sull'interazione e interfacciamento di sistemi artificiali con molecole, cellule, e tessuti biologici, sensori che sfruttano le proprietà di macromolecole biologiche, trasduttori di segnali chimico fisici generati da molecole e tessuti biologici.
- Nel campo dei sistemi complessi la ricerca ha avuto un rapido sviluppo motivato dalle notevoli potenzialità multidisciplinari. In particolare, le metodologie sviluppate sia in ambito teorico-modellistico sia sperimentale offrono un ampio spettro di applicazioni in campi diversi come la biologia, l'ingegneria, la scienza dei materiali, l'economia, le scienze cognitive e le scienze sociali. Tale diffuso interesse è testimoniato dalla nascita di numerose riviste specializzate e dallo sviluppo di Centri di Ricerca dedicati sia negli Stati Uniti sia in Europa. La scelta di investire in tale direzione è certamente motivata dalla rilevanza che l'approccio della Complessità ha