Attività di ricerca

Le attività dell'istituto si articolano in tutte le applicazioni della scienza dei sistemi complessi, ovverosia tutti quei sistemi che possono
essere descritti in termini di oggetti interagenti. Questi possono essere semplici atomi o molecole, ma anche esseri viventi o addiritturà comunità o stati.L'Istituto ha un carattere fortemente interdisciplinare, e le applicazioni delle ricerche effettuate vanno dalla fisica dei nuovi materiali, come
il grafene, alla fotonica, allo studio delle galassie, alle applicazioni della complessità alle dinamiche sociali e all'economia.

CAMPI DI RICERCA

Fenomeni di trasporto e diffusione
Un campo di studio piuttosto ampio è quello dei fenomeni di trasporto e diffusione, che sono di per sé ubiquitari e si possono trovare in sistemi atomici così come nei problemi di dinamica delle popolazioni animali. Soprattutto, i fenomeni di diffusione possono essere alla base di processi fisicamente o biologicamente importanti, come la separazione di fase o la funzionalità di una membrana biologica.

Reti
Anche lo studio delle reti copre ambiti piuttosto diversi: dalle reti di neuroni per cercare di comprendere i meccanismi fondamentali di funzionamento del cervello allo studio di network di tipo ottico, passando dalle reti di oscillatori per studiare fenomeni di sincronizzazione.

Dinamiche dissipative quantistiche
Lo studio di dinamiche dissipative quantistiche rappresenta un campo di ricerca molto attuale: una questione importante riguarda i sistemi quantistici aperti e la loro interazione con un ambiente esterno, ad esempio un bagno termico, che è normalmente descritto in termini classici.

Fisica dei materiali e applicazioni
Ci sono infine questioni che riguardano la fisica dei materiali, le loro applicazioni e lo sviluppo di una strumentazione adatta. I problemi spaziano dall'immagazzinamento dell'idrogeno all'immagazzinamento dell'informazione nei materiali magnetici, ma anche allo sviluppo di nanoparticelle per terapie biomedicali. La tecnica neutronica ha un ruolo particolarmente importante, sia per lo studio delle proprietà dei materiali che per la loro diagnostica, così come le tecniche di microscopia a forza atomica, che permettono analisi semplici e flessibili di sistemi diversi ( piccole particelle, film e sistemi biologici). Altri materiali studiati sono i materiali ferroelettrici, antiferroelettrici e multiferroici, che trovano applicazioni in sistemi di immagazzinamento di energia ad alta densità, raffreddamento elettrocalorico, sensori e attuatori. Con spettroscopie anelastiche e dielettriche si mira ad individuare quelle caratteristiche che permettono di massimizzare l'efficienza e le proprietà di interesse per le applicazioni.

Strumentazione avanzata per la caratterizzazione dei materiali
Le tecniche di spettroscopia, mappatura e imaging vibrazionale (Raman e IR), supportate da analisi statistica multivariata, rappresentano un metodo estremamente potente per lo studio e la classificazione di campioni complessi. Questo tipo di caratterizzazione viene utilizzata ad esempio per verificare l'efficacia delle procedure di funzionalizzazione chimica, per confrontare gli effetti di vari label e marcatori, per studiare l'omogeneità dei campioni e i processi di modifica cellulare, ed effettuare studi tossicologici e di dosaggio per il bio-imaging, la diagnostica e le applicazioni terapeutiche e di drug delivery. In particolare, mediante la spettroscopia Raman è possibile raccogliere informazioni su campioni biologici senza effettuare procedure di labeling e marcatura, così da poter monitorare i fenomeni di modificazione molecolare su cellule vive in maniera non distruttiva, rivelando processi biochimici non ottenibili con altri metodi di imaging. Analogamente, è possibile applicare la tecnica per verificare in tempo reale la risposta di biosensori costituiti da substrati e dispositivi funzionalizzati chimicamente.

Ricerca Interdisciplinare nei Sistemi Complessi
La scienza della complessità cerca di individuare all'interno di differenti campi fenomenologici i principi primi che generano strutture fortemente correlate a partire da semplici costituenti. Alcune ipotesi come quelle di auto-organizzazione così come minimizzazione locale sono al momento utilizzate per la realizzazione di modelli specifici. Allo stesso tempo nuovi e più completi dati sperimentali vengono raccolti per una migliore comprensione di questi fenomeni. In questo ambito rientrano: fisica dei sistemi autosimili, processi di crescita, studio dell'invarianza di scala geometrica e topologica con particolare attenzione ai sistemi di reti. Fisica computazionale dei sistemi complessi. Dinamica fuori equilibrio e instabilità dei materiali. Meccanica Statistica di sistemi disordinati. Fisica computazionale di sistemi astrofisici. Dinamiche su topologie complesse. Correlazioni dinamiche nell'evoluzione di virus. Analisi statistiche di topografie planetarie. Analisi della produttività delle nazioni. Studi bibliometrici. Studio del cervello con metodi dei sistemi complessi. Reti sociali. Reti di reti. Infrastrutture critiche. Resilienza urbana.

Fluidi Complessi
Metodi della meccanica statistica vengono utilizzati per affrontare problemi emergenti in fluidi complessi principalmente di origine fisica e biologica. Esempi paradigmatici di questo programma sono: turbolenza nei fluidi e nei plasmi, sospensioni con particelle solide o di natura biologica, trasporto di polimeri inorganici e biologici in soluzioni di elettroliti, sistemi granulari nello stato fluido (ovvero sistemi di particelle inelastiche in movimento, più o meno intenso e regolare, grazie ad un azione di forzaggio esterno), materia attiva e comportamento collettivo distribuito dagli animali (uccelli o insetti) alla robotica.

Materiali complessi e fisica quantistica
Utilizzando i metodi teorici della fisica dello stato solido si studiano sistemi in cui la competizione fra diverse interazioni dà luogo a comportamenti complessi. Fra i sistemi studiati, potenzialmente applicativi, possiamo citare i materiali superconduttori sia ad alta temperatura (cuprati, fullereni, MgB2, superconduttori con piani FeAs, H3S,etc.) che a bassa temperatura (SrTiO3, NbN, NbSe2, etc.), catene e anelli di spin, sistemi quantistici aperti, dispositivi quantistici, eterostrutture di ossidi, composti a base di grafene e altri sistemi a bassa dimensionalità. Inoltre, tramite tecniche spettroscopiche e analisi termica si studiano i materiali per le batterie al litio di nuova generazione, in particolare nuovi catodi quali LiMn1.5Ni0.5O4 e LiCoPO4 e materiali utilizzati negli elettroliti polimerici quali i liquidi ionici. Si investigano inoltre gli idruri per l'accumulo e la purificazione di idrogeno e il grafene.

Complessità nella materia soffice
Le seguenti tematiche di materia soffice vengono affrontate dal punto di vista teorico, numerico e sperimentale: self-assembly con strategie bottom-up and up-down di materiali soffici, colloidali e biologici; arresto strutturale di tipo vetroso e di tipo gel; interazioni efficaci come depletion, elettrostatiche e direzionali; competizione fra le varie interazioni per ottenere diagrammi di fase complessi; ruolo della forma della particella: sfere, ellissoidi, dischi e cilindri; modellizzazione di particelle complesse come proteine, dendrimeri DNA e argille colloidali; uso della valenza per un controllo ottimale delle fasi auto-organizzate; ruolo della sofficità: particelle microgel la cui dimensione cambia con temperatura e pH; materia soffice attiva: sospensioni di batteri; idrodinamica dei fluidi complessi e biologici; diagnostica NMR di materiali biologici.

Comportamento collettivo in sistemi naturali e artificiali
Studiare il comportamento collettivo nei gruppi di animali in tre dimensioni, capire i meccanismi fondamentali di controllo distribuito, ed esportare tali meccanismi a sistemi artificiali è un'altra attività dell'istituto. Il progetto ha un'ampia parte sperimentale, dedicata alla presa di immagini digitali multivision per la ricostruzione 3D di posizioni e traiettorie individuali, sia in stormi di uccelli, che in sciami di moscerini. Tale attività richiede la messa a punto e la calibrazione dell'apparato ottico-elettronico per l'acquisizione delle immagini digitali. Inoltre, il progetto prevede una parte teorica di analisi dei dati, e di modellizzazione ispirata ai risultati
sperimentali.

La complessità nei sistemi granulari e in altri sistemi stazionari e fuori equilibrio
Studio dei sistemi granulari nello stato fluido, ovvero in regimi diluiti e di forzaggio esterno intenso (lontani o nelle vicinanze del jamming, ma sempre "sopra" la transizione vetrosa). L'interesse per questi sistemi, nascendo in ambito applicativo (industria farmaceutica, ingegneria, trasporto e mescolamento delle polveri, etc.), ha una profonda valenza teorica: lo stato fluido che si ottiene è stazionario ma fuori equilibrio, per via della presenza di correnti di energia introdotte dal forzaggio esterno e dissipate nelle collisioni e nei processi di attrito. Lo studio di questi sistemi è quindi un test delle moderne teoria di meccanica statistica fuori equilibrio. L'attività di ricerca è incentrata su due linee di studio, una teorica fondata su simulazioni e analisi dell'idrodinamica e teoria cinetica dei fluidi granulari, una sperimentale che si svolge con diversi setup di fluidizzazione e sistemi ottici di tracciamento.

Complessità Economica
Recenti ricerche descrivono la crescita economica come un processo di evoluzione in un ecosistema dinamico di tecnologie e capacità industriali. Questi studi hanno anche dimostrato una forte relazione tra lo sviluppo della complessità delle economie degli Stati in un mercato globalizzato e la loro crescita economica complessiva. Strumenti basati sull'analisi di sistemi complessi, metodi delle scienze dei sistemi e tecniche di analisi di big data offrono a scienziati e a policy-makers rispettivamente una nuova possibilità di studiare la complessità economica, e poi programmare interventi politici con maggiore probabilità di avere un impatto positivo sulle dinamiche di crescita. Questa attività dell'istituto si propone di applicare questo tipo di strumenti allo studio dei meccanismi alla base della competitività industriale, della fragilità economica dei paesi, dell'evoluzione delle tecnologie, della dinamica d'innovazione, della rete di prodotti, della capacità di adattamento delle imprese e dell'ecologia dell'E-commerce.

Beni culturali
Questa attività è dedicata allo studio delle proprietà fisiche dei materiali dei beni culturali. I beni culturali rientrano in molti casi nell'insieme dei Sistemi Complessi in quanto costituiti da molteplici componenti in interazione fra loro e con l'ambiente esterno e strutturati in modo disomogeneo su diverse lunghezze di scala. In particolare si sviluppano nuove metodologie di indagine in grado di fornire informazioni sui materiali costitutivi di un opera, sul loro stato di conservazione e sui meccanismi di degradazione in gioco. Gli approcci che vengono utilizzati utilizzano metodologie di indagine non distruttive in grado di fornire informazioni quantitative mediante specifici approcci sperimentali supportati da modelli teorici sviluppati nell'ambito dei sistemi disordinati.

Fotonica dei sistemi complessi
Questa attivtà si occupa della descrizione teorica, dell'analisi numerica e di osservazioni sperimentali di alcuni fenomeni caratteristici dell'ottica nonlineare nei sistemi disordinati, in cui il disordine ha dimensioni spaziali confrontabili con la lunghezza d'onda della luce.
Nello specifico ci si occupa della propagazione delle onde shock in sistemi liquidi e fluidi colloidali, di random laser in diversi materiali che vanno dalla carta a solidi amorfi organici ed inorganici, di intrappolamento della luce in fibre disordinate e di optomeccanica di membrane di gel.

Un ampia descrizione di queste ricerche è visibile sul sito www.isc.cnr.it e sui siti delle unità dell'istituto.