Area progettuale

Materiali innovativi (DFM.AD003)

Dipartimento

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Il rilievo

Le attività del Dipartimento DSFTM nel settore dei materiali innnovativi presentano forti caratteristiche interdisciplinari e sono svolte in sinergia con ricerche del Dipartimento di Scienze Biomediche e del Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologie dei Materiali. Si tratta di ricerche fortemente competitive a livello internazionale e con importanti ricadute applicative. Per questo, su questa tematica, sono presenti strettissime e stimolanti collaborazioni con il mondo industriale. Infatti, il settore dei materiali innovativi è in crescente espansione con applicazioni in svariati campi che vanno da quello dell'energia (fotovoltaico, fuel cells, energy-harvesting, catalizzatori, accumulatori ecc.), a quello della fotonica (nuove sorgenti di luce e nuovi rivelatori), della medicina e delle biotecnologie (terapie innovative e mirate, tecniche di imaging ad alta risoluzione e biosensing in vitro e in vivo, MRI, MEG, teranostica e rigenerazione tissutale), dello studio e del controllo delle interazioni all'interfaccia solido-liquido tramite stimoli elettrici generati da cariche di superficie a livello piezo- e piro-elettrico, dello sviluppo di metodi innovativi per la manipolazione della materia soffice (fluidi, materiali organici e non, colloidi, biomolecole), del quantum computing a stato solido e delle applicazioni nella metrologia.

Obiettivi

Le attività dell'Area sono centrate su diverse tipologie di materiali, quali: semiconduttori organici, composti con metalli di transizione, ossidi non convenzionali, polimeri, biomateriali, materiali ferroelettrici, magnetici, superconduttori, materiali ibridi e nanostrutture e nanotecnologie basate su di essi. Gli sviluppi di nuovi materiali sono esempi di campi di ricerca innovativa, che comprendono anche lo studio di processi di interfaccia e controllo della dimensionalità. Inoltre il controllo dei materiali a livello nanoscopico porta alla creazione di materiali compositi e dispositivi con nuove specifiche funzionalità. In particolare, nanotubi di carbonio, isolanti topologici, cristalli atomici bidimensionali come grafene, fosforene, silicene e dicalcogenoidi di metalli di transizione, opportunatamente funzionalizzati, offrono ampie prospettive per applicazioni nanotecnologiche. La Flagship Grafene permetterà di sviluppare attività di ricerca per portare il grafene e le relative nanostrutture ad un livello di interesse industriale: dall'elettronica flessibile, all'energia ed alla spintronica. Il Grafene non è l'unico esempio di straordinarie possibilità offerte dal campo dei materiali innovativi: un altro esempio è quello dei superconduttori che, nel nuovo millennio, ha visto apparire moltissime nuove famiglie di materiali anche grazie all'utilizzo di nuove tecnologie di sintesi e di nuovi modelli teorici. Da citare il recente raggiungimento di più di 200K di temperatura critica su solfuro di idrogeno in alta pressione.
Le attività del Dipartimento vanno dalla modellazione delle proprietà strutturali, elettroniche, magnetiche, ottiche ai calcoli da principi primi di sistemi ibridi o nanostrutturati alla caratterizzazione sperimentale di tali sistemi fino alla realizzazione di dispositivi prototipali basati su questi per l'attivazione di funzionalità attive o passive a partire dalle proprietà intrinseche dei materiali.

Il quadro delle ricerche in ambito internazionale

Negli obiettivi generali di molti progetti del programma Horizon 2020 (Excellence Science, Industrial Leadership e Societal Challenge) lo studio e l'utilizzo di materiali avanzati hanno un ruolo rilevante; proprio per questo la tematica Materiali Avanzati è stata inserita nel novero delle 6 cosiddette Key Enabling Techologies (KETs). Sempre a livello Europeo, molti Grant dell'European Research Council (ERC) sono stati assegnati su tematiche di sintesi e nano-microstrutturazione di nuovi materiali, e diversi di questi Grant vengono svolti nell'ambito degli Istituti del DSFTM.
Tra le iniziative europee ha inoltre assunto un ruolo importante il progetto Flagship Grafene, il quale permetterà di finanziare in un arco di dieci anni (2013-2023), con un investimento di circa un miliardo di Euro, collaborazioni tra il mondo accademico ed industriale al fine di trasferire il grafene ed i materiali bidimensionali dai laboratori accademici alla società, generando una crescita economica e nuove opportunità.
Anche il campo dei materiali organici, delle nanostrutture funzionali e dei sistemi nanocompositi ed ibridi organici/inorganici riveste un ruolo molto rilevante a livello internazionale, soprattutto per la possibilità di realizzare dispositivi flessibili e a basso costo (celle solari, LEDs). Molti prodotti di grande impatto sono già presenti sul mercato.
Il campo dei materiali superconduttori offre nuovi materiali che stanno suscitando grande interesse applicativo nel campo dell'energia (eolico, reti intelligenti, accumulo dell'energia...), della medicina (MRI, MRG, sistemi MagnetoEncefaloGrafia- MEG), dei calcolatori quantistici e dei rivelatori a singolo fotone.
Nel campo della medicina e della biologia molecolare, sono assai rilevanti nano/microsistemi multifunzionali integranti biomolecole e/o farmaci che rappresentano una nuova frontiera verso terapie mirate, imaging ad alta risoluzione e biosensing in vivo.

Il quadro delle ricerche in ambito nazionale

Materiali innovativi sono temi di ricerca presenti in numerosi progetti nazionali. (FIRB, SIR, etc). In particolare in numerosi istituti del dipartimento DSFTM sono in corso attività di ricerca sia teoriche che sperimentali su grafene e su materiali bidimensionali, su ferroelettrici con funzionalità innovative, su strutture unidimensionali di nuova concezione (nanowires, nanofibre funzionali), su nuovi materiali superconduttori e magnetici ecc.. Maggiori dettagli sulle attività riguardanti le tematiche relative al grafene ed ai materiali bidimensionali sono presenti sul nuovo portale del CNR "graphene factory" (graphene.cnr.it), progettato in collaborazione con il dipartimento DSCTM, rivolto alla comunità scientifica.
Lo sviluppo di materiali innovativi per l'ingegneria tissutale e per il "delivery" mirato di farmaci e biomolecole sono stati oggetto di progetti PON del DSFTM in corso quali "Rinovatis", "Social-NANO" e "MAAT".

Il posizonamento del Cnr

Il CNR nell'ambito specifico gioca un ruolo assolutamente centrale e di guida a livello nazionale ed internazionale. I recenti dati sull'incisività dei vari enti di ricerca europei sul settimo programma quadro testimoniano questa posizione di eccellenza che è particolarmente verificata proprio in NMP (Nanotechnologies, Advanced Materials and Production.)
Notevolissima la disponibilità nei vari istituti del Dipartimento di facilities dedicate alla sintesi di nuovi materiali e laboratori avanzati per la nano e microfabbricazione di dispositivi innovativi. Sono inoltre disponibili numerosi laboratori per lo studio delle proprietà elettriche, ottiche, strutturali, termiche e magnetiche di materiali avanzati e dispositivi utilizzando un ampio spettro di tecniche innovative di caratterizzazione e di sistemi modelli in vivo che permettono la validazione funzionale di nano e microdispositivi per applicazioni in nanomedicina.
Per lo studio di materiali avanzati vengono utilizzate infrastrutture nazionali ed europee di sincrotrone (ESRF, ELETTRA, SOLEIL). Inoltre attività di ricerca di numerosi istituti del Dipartimento DSFTM utilizzzano infrastutture di calcolo per studi computazionali di materiali innovativi nonchè facilities per gli altissimi campi magnetici.

Le principali attvità svolte

Le principali attività nell'ambito dei materiali innovativi del dipartimento DSFTM riguardano la sintesi e lo studio di sperimentale e teorico di:
- Ossidi non convenzionali, anche in forma nanostrutturata a forte correlazione elettronica (perovskiti, manganiti, rutenati,...).
- Composti di metalli di transizione, anche in forma nanostrutturata, a forte correlazione elettronica (ossidi perovskitici, calcogenuri, ...).
- Nuovi composti superconduttori (ossidi, borocarburi, diboruri, pnictidi, calcogenuri....), materiali convenzionali in sistemi ibridi micro/nanostrutturati del tipo superconduttore-ferromagnete (S/F) oppure S-metallo normale (S/N) oppure S-semiconduttore (S/Sm).
- Materiali nanocompositi basati su polimeri e TiO2, anche nanostrutturati, fogli flessibili e nanotubi di carbonio dispersi in polipropilene.
- Nano/micromateriali biocompatibili e biodegradabili in grado di veicolare farmaci/biomolecole per imaging e terapia (applicazioni in ambito biomedicale).
- Materiali magnetici inclusi quelli con fenomeni di magnetoresistenza gigante e materiali RE-free.
- Sistemi a bassa dimensionalità di semiconduttori inorganici e metallici (0D, 1D e 2D): punti quantici, nanofili, buche quantiche di materiali semiconduttori e film di dimensione atomica
- Nuovi materiali organici, nanofibre, e sistemi ibridi organici/inorganici,
- Materiali nanostrutturati e funzionalizzati basati su grafene e nuovi materiali bidimensionali quali: fosforene, silicene e calcogenuri dei metalli di transizione (MoS2, WS2).
- Studio e sviluppo di materiali ferroelettrici (es. LiNbO3; LiTaO3) finalizzati alla realizzazione di piattaforme intelligenti per la manipolazione controllata della materia soffice (fluidi organici e non, compresi i mezzi biologici) e per processi di "self-assembly" finalizzati allo sviluppo di micro- e nano-dispositivi;
- Materiali ad altissime pressioni realizzati mediante utilizzo di "diamond anvil cells".
- Isolanti topologici

Le attività previste

Sono previste attività di sintesi di nuovi materiali bidimensionali (fosforene, silicene, MoS2, WS2 etc), ed unidimensionali per lo studio delle loro proprietà elettroniche ed ottiche e per la fabbricazione di dispositivi innovativi. Le proprietà elettoniche ed ottiche di nanoribbons di grafene funzionalizzati verranno studiate teoricamente attraverso calcoli ab initio e sperimentalmente utilizzando un ampio varietà di tecniche di analisi. Verranno sintetizzati ulteriori sistemi a bassa dimensionalità (punti quantici, nanofili fiml ultrasottili). Sono previste inoltre attività per la funzionalizzazione di substrati ferroelettrici per lo studio e il controllo di fenomeni all'interfaccia solido-liquido. Sono inoltre previsti studi sui materiali superconduttori e magnetici, in particolare sui sistemi più innovativi che verranno sintetizzati con le molteplici tecniche presenti nei laboratori degli Istituti del DSFTM. Le proprietà di tutti questi materiali verranno studiate con le sofisticate tecniche di caratterizzazione presenti presso gli Istituti afferenti.
Sono inoltre previste attività di caratterizzazione dei nuovi materiali organici, inorganici ed ibridi e in particolare lo studio delle proprietà termiche, elettriche e magnetiche sui sistemi viventi e il loro impatto tossicologico per applicazioni di biomedicina.
Il Dipartimento dispone di facility avanzate per la caratterizzazione delle proprietà elettroniche (dall'analisi della superficie di Fermi allo studio della dinamica dei processi di trasferimento di carica) per materiali 2D e sistemi con interfacce complesse. Nuovi sistemi sperimentali sono disponibili per la caratterizzazione della dinamica di processi elettronici e ottici nei materiali di interesse.
E' prevista anche la sintesi e la caratterizzazione di nano/micro sistemi polimerici "intelligenti" (accoppiati anhe a nanoparticelle magnetiche, fluorescenti o plasmoniche) per il rilascio controllato di farmaci o effettuare biosensing in vitro ein vivo

Area tematica

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Parole chiave

Materiali bidimensionali, nanostrutture, eterostrutture, materiali monocristallini, sistemi a bassa dimensionalità,, nuove funzionalità dei materiali, materia soffice, superconduttività, piroelettricità, piezoelettrcità,, interfaccia solido-liquido, saggi in vivo, biomateriali e sistemi intelligenti per "drug/gene delivery" e bioimaging

Progetti

Ultimo aggiornamento: 15/04/2024