Attività di ricerca

A seguito del decreto CNR n.143 (20/12/2013) la sede e la UOS di Tito Scalo di IMIP sono confluite in ISM, che ora ha sede all'Area della Ricerca di Tor Vergata e tre UOS nelle Aree della Ricerca di Montelibretti e Tito Scalo (Pz) e nell'Area Science Park (Ts). In questa fase ed in attesa del nuovo regolamento di organizzazione e funzionamento del CNR non è stata modificata l'organizzazione preesistente.Pertanto attualmente l'ISM è organizzato nelle seguenti commesse
o Dinamica dei processi atomici e molecolari
o Interazione Laser Materia
o Fotonica a raggi X
o Superfici funzionalizzate, interfacce, riconoscimento molecolare e catalisi
o Proprietà magnetiche,elettroniche e funzionali di aggregati di dimensione atomica
o Modeling computazionale di proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche di difetti e complessi molecolari in semiconduttori e sistemi ibridi organico-inorganico
o Materiali ibridi nanostrutturati
o Materiali magnetici nanostrutturati
o Materiali ibridi per fotovoltaico molecolare
o Materiali e Dispositivi a Base di Carbonio e Catalisi Eterogenea per Energia ed Ambiente
o Microscopia a scansione a sonda locale su sistemi nanostrutturati e materiali biologici
o Tecnologie e sistemi innovativi per la formazione e supporto tecnologico alle amministrazioni pubbliche ed alle imprese

Le attività delle varie commesse posso essere raccolte in cinque macroaree
Sistemi a bassa densità e bassa dimensionalità e "quantum control"
Le attività di ricerca di questa macroarea affrontano problemi di base in sistemi isolati, sistemi a bassa dimensionalità, superfici ed interfacce sia a livello spettroscopico che dinamico.

Lo studio della dinamica di processi elementari in atomi, molecole, clusters e di ioni multiplamente carichi ha l'obietttivo di fornire informazioni su struttura elettronica, reattività e comportamento chimico-fisico di sistemi 'campione' utilizzati in diverse aree della ricerca di base e applicata (biologia, astrofisica, ambiente) e per il modeling della chimica dell'atmosfera, degli spazi interstellari e della biologia. A questo fine si utilizzano varie spettroscopie elettroniche, ioniche ed ottiche, sorgenti di laboratorio, comprendenti anche sorgenti laser accordabili al ns, e l' accesso a facility nazionali ed internazionali di luce di sincrotrone e radiazione FEL. Queste indagini sono sostenute da analisi teorico/computazionali per lo studio quantistico di processi chimici elementari, dell'energetica di processi quali frammentazione di ioni metastabili, charge transfer e reattività di stati elettronici eccitati e ionici e di fenomeni fuori dall'equilibrio in processi ultra-veloci foto-indotti

L' analisi di proprietà molecolari è inoltre esteso allo studio della struttura dissimmetrica (chirale) di molecole, di sistemi supramolecolari su superfici e di cristalli liquidi. Materiali ottenuti tramite la formazione di sistemi molecolari a due dimensioni possono trovare svariate applicazioni nel campo dei dispositivi elettronici e nella sensoristica. Questi dispositivi si realizzano attraverso l'auto-assemblaggio di molecole chirali e la polimerizzazione sulle superfici, Altri aspetti intrinsicamente connessi alla ridotta dimensionalità sono esaminati con metodi sperimentali e teorici su nanostrutture, superfici funzionalizzate e film ultrasottili. Tra questi, sono oggetto di indagine le proprietà magnetiche ed elettroniche in sistemi di bassa dimensionalità e strutturati su scala atomica, quali atomi e molecole metallorganiche su superfici, cluster, nanofili e nanoreticoli magnetici prodotti mediante processi di crescita per epitassia e per autoorganizzazione. Aspetti di carattere quantistico emergono inoltre nel confinamento elettronico in film ultrasottili e, primariamente, nello proprietà di materiali 2-D, quali il grafene ed il silicene.

Materiali nanostrutturati

Nel settore dei materiali ibridi l'obiettivo è la preparazione con nuovi metodi di sintesi e la caratterizzaione delle proprietà chimico fisiche di nanoparticelle, nanocluster di tiolati, nanoparticelle di ossido di ferro, nanocompositi costituiti da grafene. A questa attività si affianca lo studio delle proprietà strutturali, termodinamiche e dinamiche di sali liquidi a temperatura ambiente (SLTA) e di loro miscele binarie con altri composti (macro-)molecolari. Nel settore dei materiali magnetici l'attività è rivolta alla preparazione con metodi fisici e chimici di materiali nanostrutturati in forma di film sottili, multilayers e nanoparticelle, allo studio delle proprietà strutturali e microstrutturali e allo studio delle proprietà magnetiche in relazione al loro utilizzo per magnetic storage, sensoristica, e magneti permanenti. Particolare interesse è rivolto allo studio dell'anisotropia magnetica ed alla analisi dei meccanismi microscopici che determinano la relazione tra il comportamento magnetico, la configurazione elettronica e la geometria atomica.
Queste attività sperimentali sono affiancate da un'attività teorica che si muove nell'ambito più generale del "Materials Modeling". In particolare, il design delle proprieta' di un materiale e' basato sullo studio del defect engineering di un materiale inorganico e dell'interazione (molecola organica)-materiale inorganico nel caso di sistemi ibridi, effettuato con metodi teorici da principi primi per la messa a punto di materiali polifunzionali. Le applicazioni previste per i materiali ed i processi investigati, che influenzano le proprieta' elettroniche e/o magnetiche del materiale ed interazioni di molecole organiche od inorganiche con un substrato inorganico anche bidimensionale, trovano applicazioni anche nella macroarea dei Materiali e dispositivi per applicazioni nelle energie rinnovabili.

Materiali e dispositivi per applicazioni nelle energie rinnovabili
La ricerca di nuove fonti rinnovabili di energia rappresenta una delle sfide globali più attuali per uno sviluppo sostenibile dei paesi industrializzati ed emergenti. In questo contesto, l'attività dell'ISM si esplica in varie forme.
Nel settore del fotovoltaico organico (OPV) l'attività è concentrata sullo studio ed uso di macrocicli del tipo, porfirine e ftalocianine, materiali polimerici con fullereni e nanostrutture plasmoniche, nanocompositi metalli-oligotiofeni, tutti materiali con una ricca reattività redox, capacità rilevante di trasferire elettroni foto-indotti e interessanti prorietà di semiconduzione. L'attività comprende la sintesi dei materiali, la caratterizzazione della loro struttura elettronica, morfologia e struttura e il loro utilizzo sia nelle celle DSSC (dye sensitized solar cells) che nelle celle organiche solari ad etero-giunzione(HJs). L'utilizzo di tecniche non convenzionali di raggi-X in dispersione di Energia, in grado di eseguire indagini in-situ e risolte temporalmente permette di seguire i processi chimico-fisici ed i meccanismi di invecchiamento strettamente legati alle proprietà di bulk, di superficie e di interfaccia. Oltre agli aspetti fondamentali sugli studi sui materiali, l'obiettivo è la produzione di informazioni utili per nuove strategie nellarealizzazione delle celle fotovoltaiche. Parallelamente vengono portati avanti studi nuove classi di composti come per esempio le perowskiti, composti ibridi organico-inorganico di formula generale ABX3 dove A è un catione organico, B uno ione metallico bivalente e X un alogeno. Inoltre gli studi teorici sui sistemi ibridi organico-inorganico e sui sistemi molecolari guidano la scelta delle molecole e indirizzano la sintesi verso prodotti con idoneo posizionamento degli orbitali di frontiera.
In questo settore l'ISM è anche impegnato nell'utilizzo di materiali innovativi a base di carbonio per la realizzazione di dispositivi ad effetto termoionico da sfruttare in concentratori solari, la produzione e caratterizzazione di superstrutture di semiconduttori ad ampia band-gap (carburi, nitruri) mediante metodi PVD per la realizzazione di dispositivi fotovoltaici avanzati e rivelatori ad alta sensibilità e la realizzazione di convertitori per il recupero di energia da sorgenti radioattive (scorie appositamente selezionate) per la realizzazione di nanobatterie caratterizzate da un tempo di esercizio di anni.
Alle attività nel settore delle energie rinnovabili sono affiancate quelle connesse al monitoraggio ambientale in cui sono predominanti le competenze chimico-fisiche e che ha come obiettivo lo sviluppo di materiali e sistemi per catalisi eterogenea per la produzione di biomasse ed abbattimento di VOCs. In particolare si sviluppano nuovi catalizzatori per produzione di combustibili da biomasse e rifiuti attraverso gassificazione sostenuta da catalisi e con catalisi mista eterogenea/enzimatica, abbattimento tar nella pirolisi di biomasse; recupero di energia e/o monomeri da plastiche; e sequestro di CO2 mediante ZIF.

Attività ed applicazioni nelle bioscienze
In questa area le attività vanno dalla caratterizzazione di processi elementari connessi per esempio al radiation damage, allo studio di sistemi macroscopici come sistemi cellulari complessi esposti a stress ambientali, alla preparazione e caratterizzazione di materiali per applicazioni biomedicali fino alla allo sviluppo di nuove tecniche diagnostiche.
Le attività di base sull'interazione della radiazione con i componenti di acidi nucleici e farmaci utilizzati come radiosensibilizzatori in radioterapia hanno l'obiettivo di individuare le dinamiche di danneggiamento a livello molecolare e nel caso dei radiosensibilizzatori ottimizzare la loro progettazione a livello molecolare per aumentare l'effetto radiosensibilizzante.
Lo studio dei biosistemi e delle conseguenze di stress ambientali e di interazioni con sistemi nanostrutturati, è organizzato a diversi livelli gerarchici che vanno dalla valutazione di effetti sulla scala subcellulare all'integrazione delle risposte cellulari al livello tessutale. Sono attive diverse linee sperimentali ciascuna con proprie attività specifiche i cui risultati vengono poi integrati in un quadro generale.
Nel settore dei materiali l'attività mira alla realizzazione di rivestimenti bioattivi nanostrutturati di composizione innovativa, quali idrossiapatite funzionalizzata e sistemi vetro-ceramici (RKKP) per applicazioni su metalli nelle protesi biomediche in ortopedia e odontoiatria e per sonde/bisturi chirurgici.
Le competenze nel settore delle microscopie ottiche a scansione sono utilizzate per lo sviluppo di diagnostiche mediche ed in particolare per la diagnosi precoce di alcuni tipi di tumori.
Inoltre congiuntamente con altri istituti CNR dell'area romana (IFN, IMM, ISC, IDASC) è stata creata una rete di coordinamento di ricercatori interessati all'utilizzo delle micro e nano-tecnologie applicate alla biologia ed alla medicina, denominata Tech4Bio (www.tech4bio.eu). In questo ambito sono stati organizzati una conferenza "Biophysics@Rome" (la partecipazione di circa 200 ricercatori) e di cui è prevista la seconda edizione nel 2015 e molti seminari tematici con ospiti nazionali ed internazionali. La rete è lo strumento ideale per promuovere l'attivazione collaborazioni sia intra- che extra-network.

Sviluppo di strumentazione e metodologie
L'attività di sviluppo di strumentazione è fortemente collegata con la presenza dell'ISM presso le grandi infrastrutture di ricerca. L'attività consiste nella realizzazione e gestione di linee di luce complete e stazioni sperimentali presso la sorgente di luce di sincrotrone Elettra, la realizzazione di stazioni sperimentali per fotoemissione, spettrometria di massa e microscopia SNOM presso sorgenti FEL (Nashville, Fermi a Trieste, Alice a Daresbury), la collaborazione alla caratterizzazione e produzione di radiazione FEL a Fermi e SPARC (Frascati). Nuovi sviluppi comprendono la realizzazione di laboratori per spettroscopie ultraveloci presso la sede di Roma e la UOS di Tito Scalo, nonché la partecipazione alla realizzazione del laboratorio italo-sloveno CITIUS (Nuova Gorica). Nei laboratori le attività di sviluppo strumentale perseguono l'implementazione di tecniche di diffrazione X risolta spazialmente per lo studio delle proprietà morfologico/strutturali di materiali, tecniche di microscopia ed ottiche vis-NIR con risoluzione nanometrica per studiare le proprietà ottiche e morfologiche di materiali metallici e la valutazione della risposta cellulare a stimoli ambientali, lo sviluppo di dosimetri per raggi X e rivelatori per particelle cariche e neutroni in diamante monocristallino, lo sviluppo di sorgenti di fasci molecolari di sistemi a complessità crescente
Nuove metodologie per indagine spettroscopiche anche risolte in tempo per lo studio dell'interazione radiazione materia, la preparazione dei materiali nanostrutturutati attraverso tecniche di sintesi chimica e tecnologie fisiche, la polimerizzazione superficiale in ultra alto vuoto, la caratterizzazione dei parametri elementari di processo per l'ablazione laser in diversi ambienti e con diverse sorgenti laser e sono oggetto di una continua attività.
Altre attività riguardano lo sviluppo metodologie ottiche (spettroscopie LIBS e Raman) e metodi magnetometrici nel settore dei beni culturali nonché la progettazione e la realizzazione di sistemi avanzati per la gestione delle informazioni, sperimentando applicazioni in diversi ambiti che vanno dalla formazione e divulgazione, trasferimento tecnologico, fino all'erogazione di servizi telematici avanzati per applicazioni nel campo scientifico.