Attività di ricerca

Le struttura di ricerca di ISMN ha elevata capacità operativa ed è
organizzata in modo da realizzare con la necessaria flessibilità e massa
critica sia programmi di ricerca orientati a generare nuove conoscenze,
sia progetti orientati allo sviluppo e all'innovazione. Le linee
strategiche di ricerca perseguite da ISMN sono:

Nanomateriali e processi abilitanti per il manifatturiero sostenibile
L'ISMN è riconosciuto in campo internazionale come centro d'eccellenza nei settori dei nanomateriali e processi abilitanti. Le competenze dell'Istituto sono focalizzate nell'elettronica organica e ibrida, optoelettronica, fotovoltaico, meccanica, sensoristica e nanomedicina. Gli obiettivi di questa linea di ricerca sono:
o Lo sviluppo di tecnologie top-down, bottom-up e ibride per la produzione di sistemi nanostrutturati, integrati in nano e micro dispositivi quali: componenti elettronici (OFET, LED, OLETs), ricoprimenti funzionali (superfici intelligenti), sensori (ottici, termici, biologici), dispositivi per lo stoccaggio d'informazione (TAG, memristori).
o La produzione di film sottili, superfici funzionalizzate e rivestimenti nano-strutturati con innovate proprietà tribologiche, funzionali ed estetico-decorative utilizzando processi avanzati a basso impatto ambientale (metodi umidi, in vuoto e per ablazione).
o Lo sviluppo di metodologie di caratterizzazione chimico-fisica, morfologica e strutturale di sistemi nanostrutturati tramite tecniche allo stato dell'arte, spettroscopiche, (UV/Vis, PL, NMR, CD); microscopiche (ottica ed a sonda); di superficie (XPS, AES, XRF, UPS, SEM-EDS, AFM) e diffrazione (XRD).
Nell'ambito di questa attività vengono messi a punto e sviluppati:
o materiali multifunzionali e multitopici (Es. per riconoscimento selettivo di metalli);
o nanoparticelle funzionali (metalliche, magnetiche, fluorescenti, ecc.);
o semiconduttori organici, inorganici e ossidi complessi;
o polimeri;
o sistemisupramolecolari;
o sistemi chirali (Es. come sensori enantioselettivi);
o dispositivimagneto-elettrici ibridi multifunzionali, operanti come sensori, memorie e porte logiche;
o fibre naturali per lo sviluppo di tessuti intelligenti;
o superfici funzionali per il controllo delle proprietà di bagnabilità di superficie (Es. autopulenti e membrane funzionali per la separazione di fluidi immiscibili);
o materiali ceramici funzionali (Es. per la fabbricazione di radar avionici).

Elettronica e fotonica organica e ibrida flessibile e indossabile
L'integrazione di funzioni fotoniche nell'elettronica può portare a notevoli progressi in diversi campi applicativi (per esempio trasmissione dati, telecomunicazioni, imaging e display, sensori).
In particolare, l'accoppiamento di dispositivi organici optoelettronici con sistemi ibridi nanostrutturati apre nuove possibilità nel campo della nanofotonica, specialmente in relazione a processi di confinamento, modulazione ed estrazione della luce. L'intrinseca duttilità e flessibilità di materiali e sistemi organici e ibridi consente di allargare lo spettro di applicazioni dell'elettronica verso lo sviluppo di dispositivi optoelettronici e fotonici organici flessibili, conformabili e indossabili.
L'attività di ricerca dell'ISMN in tale campo emergente è principalmente focalizzata a realizzare elettronica e fotonica flessibile e indossabile mediante il design, la modellizzazione, la fabbricazione e l'implementazione di:
(i) dispositivi optoelettronici multifunzionali avanzati basati su sistemi organici ed ibridi
(ii) strutture ibride 2D e 3D per il controllo dei processi fotonici e della emissione di luce in dispositivi optoelettronici.
Un'attività specifica è dedicata allo sviluppo di OLED conformabili, su larga area e a basso costo per l'illuminazione di interni: si intende utilizzare un approccio che mira a fare convergere metodologie convenzionali e comprovate con quelle più innovative, basate sulla implementazione di substrati, architettura, processi ibridi di fabbricazione di interesse tecnologico.
Inoltre, l'attività di ricerca è rivolta a realizzare sorgenti di luce nanoscopiche e sistemi optoelettronici altamente integrati mediante l'ingegnerizzazione e l'ottimizzazione di una classe innovativa di dispositivi multifunzionali, i transistor organici ad emissione di luce (OLET). Nello specifico, le straordinarie caratteristiche optoelettroniche degli OLET in termini di efficienza quantica esterna e densità di carica, unite alla capacità di integrare in modo monolitico componenti fotoniche nell'architettura planare del dispositivo garantiscono lo sviluppo di sistemi ad alto valore aggiunto per applicazioni industriali quali display, sensori, dispositivi opto-microfluidici medicali e Lab-on-a-Chip per la biodiagnostica e la sicurezza del cibo.

Materiali e tecnologie per la Conservazione e la Fruizione sostenibile dei Beni Culturali
L'ISMN rappresenta un punto di riferimento per molte articolazioni in cui si declina il settore dei Beni Culturali ed, in particolare, per l'applicazione delle nano-tecnologie e nano-scienze in:
- Avanzate metodiche di studio chimico-fisico-morfologico e strutturale,
- Progettazione, sintesi e validazione di materiali innovativi a bassa tossicita' ed eco-compatibili
- Sviluppo di metodi per la conservazione
L'azione dell'ISMN si concretizza nell'impiego di innovativi metodi di indagine a livello micro e nanoscopico di reperti di differente natura (metalli, ceramici, vetri, lapidei naturali o artificiali e carta); nell'identificazione dei meccanismi di degrado; nello sviluppo di tecnologie innovative e nella progettazione e sintesi di materiali per la conservazione, il consolidamento e la pulitura.
La peculiarità dei manufatti (generalmente di elevato valore) impone trattamenti non distruttivi e raramente - solo quando indispensabili - microinvasivi. Partendo da analisi non distruttive o non invasive, effettuate tramite strumentazioni a sonda focalizzata, nelle più moderne evoluzioni tecnologiche, i dati sono elaborati in maniera diversa per poter affrontare problematiche di varia natura, che tipicamente competono all'archeometria (studi di provenienza, datazione, competenze artistiche e tecnologiche, circolazione di conoscenze, avanzamento tecnologico e relazioni commerciali nell'antichità) e alla diagnostica conservativa (definizione dello stato di conservazione per la proposizione di adeguati interventi conservativi; valutazione dell'efficacia e validazione dei materiali nanostrutturati per la conservazione, monitoraggio del microclima, degli ambienti museali e dei siti archeologici). Una linea di ricerca è dedicata all'Identificazione dei parametri tecnologici di processo e alla ricostruzione delle antiche tecniche di produzione dei beni culturali.
La progettazione di nuovi materiali e/o formulazioni di prodotti per la conservazione ed il restauro viene effettuata considerando la salvaguardia dell'opera d'arte, dell'ambiente, della salute dell'operatore e la sicurezza del lavoro nelle attività di restauro come target principali. In particolare vengono sviluppati film e sistemi nanostrutturati a rilascio controllato di inibitori di corrosione (nanoveicolazione e smartcoatings) e materiali nanostrutturati per la pulitura, protezione e consolidamento di superfici vitree, ceramiche e lapidee eco-compatibili e a bassa tossicità, ottimizzandone i metodi di applicazione e validandone le prestazioni.

Sistemi nanostrutturati e dispositivi bioelettronici per la salute e la qualità della vita
In questa linea di ricerca l'esperienza ISMN nelle nanotecnologie è utilizzata per la realizzazione di materiali nanostrutturati e dispositivi utili nel campo della salute e della qualità della vita.
Le numerose e consolidate competenze dell'ISMN sono state sviluppate nell'ambito di numerosi progetti e collaborazioni sia nazionali che internazionali che hanno qualificato l'ISMN come un punto di riferimento per la promozione e lo sviluppo delle attività finalizzate alla realizzazione di materiali e dispositivi utili per la salute e la qualità della vita.
Le principali attività di ricerca comprendono la realizzazione di scaffolds magnetici nanostrutturati per la medicina rigenerativa, di dispositivi elettronici impiantabili combinati con scaffolds biodegradabili da utilizzare come stimolo e monitoraggio dell'attività cellulare,di materiali e dispositivi bioelettronici basati su transistor ad effetto di campo per la medicina neurorigenerativa, di studio degli stress meccanici in condizioni fisiologiche in sistemi e processi biologici (Bologna).
Inoltre sono progettati e sviluppati dispositivi bio-elettronici integrati (sensori/biosensori) e innovativi per la rilevazione e studio dell'interferenza metabolica di inquinanti bioattivi e per il monitoraggio e la (tele)diagnostica nell'ambiente e nell'agroalimentare, biosensori per la determinazione di analiti in campo alimentare e clinico e per la prevenzione delle frodi alimentari, di nanocompositi a base di fosfato di calcio per lo sviluppo di protesi e cerotti per la cicatrizzazione di ustioni e ferite. Studi di modellizzazione per una comprensione delle interazioni superficie/interfaccia di materiale e molecola biologica (Montelibretti e Sapienza).
L'ISMN si avvale anche di competenze nella realizzazione di strutture multifunzionali supramolecolari nano e mesoscopiche di cromofori organici (porfirine) e/o ibridi organici/inorganici come sistemi biomimetici e agenti in terapia fotodinamica, di complessi di coordinazione del platino(II) come target del DNA e/o con attività antitumorale, di nanomateriali basati su ciclodestrine per il trasporto di farmaci antitumorali e fototerapeutici, di agenti diagnostici, di materiale genico e per realizzare dispositivi che rispondono a stimoli per lo studio della funzionalità cellulare. Le attività dell'ISMN riguardano anche la realizzazione e caratterizzazione chimico-fisica e tecnologico-farmaceutica di sistemi nanostrutturati lipidici e polimerici per il direzionamento di farmaci e di materiale genico, di sistemi nanostrutturati per la veicolazione di nutraceutici, la sintesi ed esplorazione delle proprietà antitumorali e strutturali di eterocicli azotati policondensati e la caratterizzazione chimico-fisica della superficie di sistemi nanostrutturati per il drug-delivery, di superfici e interfacce di biomateriali e dispositivi biomedicali tramite tecniche spettroscopiche e diffrattometriche (Palermo-Messina).

Materiali e tecnologie per la sostenibilità ambientale e l'efficienza energetica
Attività rivolta alla progettazione, sintesi e caratterizzazione di materiali nanostrutturati e sviluppo di dispositivi per la catalisi ambientale, per la chimica sostenibile e per la produzione di combustibili ed energia da fonti rinnovabili. Tali attività sono finalizzate alla rimozione di agenti inquinanti, alla produzione di combustibili da biomasse e di energia elettrica tramite celle a combustibile o dispositivi fotovoltaici.

L'Istituto rappresenta un punto di riferimento sul piano nazionale ed internazionale nella catalisi ambientale per l'abbattimento di inquinanti gassosi (NOx, N2O, CH4, CO2, VOC's) e per la rimozione di zolfo in combustibili fossili adoperando diverse tipologie di materiali (es. ossidi o metalli supportati, ossidi misti e zeoliti con ioni di metalli di transizione). L'attività di ricerca è rivolta allo sviluppo di nuovi catalizzatori ed allo studio delle correlazioni struttura-reattività per migliorare la loro efficienza. L'Istituto si occupa anche dello sviluppo di catalizzatori per ossidazioni a bassa temperatura e per la sintesi regioselettiva di molecole organiche, della produzione di biodiesel mediante reazioni di transesterificazione, dell'ottenimento di prodotti chimici e combustibili dalla riduzione di molecole platform di origine naturale, della produzione diidrogeno da biogas tramite dry reforming e di ossidazione parziale del metano e della produzione di idrogeno mediante cicli termochimici. Inoltre, ossidi misti con struttura tipo-perovskite sono studiati per utilizzo in celle a combustibile (FC-SOFC) e per batterie Zn-aria, e membrane composite funzionalizzate con molecole aromatiche sono sviluppate per celle a combustibile PEM per dispositivi portatili.
L'ISMN ha inoltre sviluppato un'esperienza consolidata nel fotovoltaico organico ed ibrido che rappresentano la nuova generazione di tecnologie per la produzione di energia solare. Flessibilità, basso peso e basso costo sono i principali vantaggi offerti da tali tecnologie, utili allo sviluppo di sistemi portatili ed architettonicamente integrati.
Le sfide attuali si concentrano nel miglioramento dell'efficienza, aumento della vita media dei dispositivi e diminuzione dei costi di produzione, tenendo conto dell'impatto ambientale. A tale scopo, l'attività di ricerca è focalizzata principalmente sull'impiego di nanomateriali e nanotecnologie in dispositivi fotovoltaici organici, celle solari a colorante con elettrolita liquido e a stato solido, e celle solari a base di perovskiti ibride. Particolare attenzione è stata rivolta allo sviluppo di procedure di sintesi e deposizione che permettano un accurato controllo delle proprietà morfologico-strutturali, combinando ricerca di base per la comprensione dei meccanismi che regolano le proprietà di questi materiali e la ricerca applicata sviluppando metodologie di deposizione su larga area.

Materiali e Sistemi Magnetici Ibridi Nanostrutturati
L'attività di ricerca è rivolta allo studio di materiali, interfacce e dispositivi ibridimagnetici nano strutturatiper applicazioni nel campo della micro-nano elettronica (ICT), per la sensoristica finalizzata alla diagnostica bio-medicale e ambientale, per la rigenerazione tissutale e altre applicazioni innovative in nanomedicina.

Nell'ambito ICT, le attività sono focalizzate allo sviluppo e ottimizzazione di dispositivi Spintronici ibridi per l'elettronica futura: memorie e logic-gatemagnetici,memristor multifunzionali a basso consumo(beyond CMOS and beyondsilicon).
La ricerca comprende:

-Sviluppo di tecniche complessedi fabbricazione di nano-materiali, ibridi organici ed inorganici (CSA- Channel SparkAblation, deposizione in UHV termica e da fascio elettronico, sintesi di interfacce ibride organico/inorganico, wettechniques, nano litografia, nano ossidazione)

-Caratterizzazioni avanzate di materiali e interfacce ibride (Raman,Microscopie a scansione di sonda: AFM-CFM-MFM-SEM-TEM, XPSXAS-XMCD presso sorgenti di luce di sincrotrone, MOKE, Magnetometria, PL risolta in tempo)

-Studi sperimentali e teorici di iniezione e trasporto di spin e carica(4 probes AC/DC, EL risolta in tempo)

Le strategie di sviluppo includono inoltre l'integrazione dei dispositivi su supporti flessibili ed indossabili.

Materiali e dispositivi ibridi magnetici sono elementi costituenti dei sistemi magnetic lab-on-a-chip per diagnostica medicaultrasensibile. Le applicazioni vanno dalla bio-diagnostica precoce di vari bio-markers al monitoraggio delle contaminazioni ambientali.

L'applicazione dei materiali nanostrutturati magnetici nella nanomedicina include:

-Fabbricazione e l'ingegnerizzazione di scaffold magnetici per la rigenerazione tissutale(Scaffold in idrossiapatite, seta, gelatina e corallo impregnati con ferrofluidi),

-Magnetizzazione e manipolazione magnetica di cellule di diverso tipo (grazie all'uso di un biomanipolatore sviluppato nei nostri laboratori con campi fino a 0.15T),

-Sviluppo di tecnologie innovative per il printingmagnetico cellulare 3D.

Nanoparticelle magnetiche vengono sintetizzate e studiato per drug delivery e terapie del cancro.