Area progettuale

Sistemi e materiali complessi, materia soffice, biofisica e reti (DFM.AD004)

Dipartimento

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Il rilievo

Un elemento fondamentale di questa Area è la creazione di un nuovo tipo di comunità scientifica che comprenda ed integri aree apparentemente distanti. In anni recenti si assiste ad una fortissima crescita negli studi interdisciplinari legati alle reti e ai sistemi complessi, con particolare riferimento alle applicazioni in biofisica e nei nuovi materiali.
L'ampio spettro di competenze degli istituti operanti in questa Area permette di realizzare sia ricerche di base che fortemente applicative, in settori che sono attualmente di grande rilievo per il rilancio della competitività naz.le. Poiché lo sviluppo di tecnologie innovative abilitanti e materiali avanzati è al centro degli interessi di Horizon 2020 e di molti programmi di finanziamento nazionali, gli istituti coinvolti sono ottimamente posizionati per partecipare con successo a partenariati di ricerca in settori molto diversificati.
In particolare, gli studi in ambito "scienze della vita" hanno una rilevanza significativa nel contesto int.le e, benché si tratti primariamente di argomenti di ricerca di base, hanno importanti ricadute in vari campi.
Lo sviluppo di nuove metodologie e di nuove tecnologie, inoltre, permette l'esplorazione di nuovi aspetti dei problemi biologici e fornisce un percorso di introduzione di giovani scienziati con formazione in fisica/chimica/ingegneria/matematica/informatica nel mondo delle scienze della vita. Le varie competenze complementari presenti nell'Area Progettuale consentono di affrontare le diverse problematiche sia con metodi di modellistica teorica e computazionale sia con lo sviluppo di tecniche sperimentali in grado di legare i modelli teorici all'analisi ed alle applicazioni in sistemi reali. La multidisciplinarietà dell'approccio e delle competenze assicura una notevole potenzialità di ricadute in diversi ambiti. Questa sinergia tra varie aree tematiche esistenti si traduce in una elevata potenzialità di impatto sia in ambito scientifico e tecnologico che nel sociale.

Obiettivi

In generale, questa Area Progettuale ha come obiettivo l'avanzamento della conoscenza nel campo della complessità, che include economic complexity, neuroscienze, scienze sociali, biofisica dei sistemi complessi, materia soffice condensata, e sistemi biologici a tutti i livelli di scala.
Lo studio della complessità riguarda l'emergere di proprietà collettive in sistemi con un gran numero di componenti in interazione tra loro. Questi elementi possono essere atomi, cellule tessuti ed organi in un contesto fisico o biologico, oppure persone, macchine o imprese in un contesto economico. La scienza della complessità cerca di scoprire i presupposti e il comportamento emergente dei sistemi sotto indagine, elementi spesso invisibili agli approcci meccanicistici tradizionali. I temi sono affrontati con una metodologia fortemente interdisciplinare che tende a superare l'approccio riduzionistico e introduce nuovi parametri per quantificare il grado di complessità di un sistema e rivelare correlazioni tra i sotto-sistemi anche a scale diverse.
L'obiettivo è sviluppare nuove conoscenze e tecnologie per controllare la complessità e sviluppare nuove applicazioni.
La parte "bio" del progetto rappresenta un ponte tra i mondi della fisica e delle scienze della vita. Infatti, la biofisica moderna è un campo altamente interdisciplinare e in rapido avanzamento, che si incentra sullo studio di sistemi biologici con l'intenzione di comprendere i meccanismi alla base della vita a livello molecolare, cellulare e sistemico, nonché la loro interazione con materiali e nanostrutture, usando i concetti e i metodi della fisica, con aiuto della chimica, della biologia, della matematica, dell'ingegneria e delle scienze informatiche. La biofisica è interdisciplinare e non semplicemente multidisciplinare poiché intende affrontare problematiche biologico-mediche con informazioni e approcci integrati e innovativi.

Il quadro delle ricerche in ambito internazionale

Le tematiche di questa area sono in forte sviluppo nelle più importanti istituzioni scientifiche internazionali.
Le forti collaborazioni in essere con centri di ricerca ed università stranieri, sia autofinanziate che valorizzate da finanziamenti esterni, consentono di raggiungere risultati di ricerca significativi, quali pubblicazioni in riviste ad alto impatto e il posizionamento strategico nella competizione per nuove risorse finanziarie.
In Europa, legami particolarmente produttivi sono in corso con istituzioni in Gran Bretagna, Francia, Ungheria, Danimarca, Germania, Slovenia e Spagna, mentre fuori Europa esistono rapporti di lunga durata con diverse università statunitensi, nonché con l'Università di Zakho (Kurdistan), l'Università del Costa Rica, la Cina, Taiwan, e numerosi altri paesi.
E' in crescita il ruolo svolto dai ricercatori di questa area nell'ambito del progetto FET Flagship europeo "Human Brain Project", previsto durare fino al 2023 all'interno di un partenariato di oltre 100 istituzioni europee e mondiali.
All'interno di H2020, opportunità di finanziamento per le ricerche in corso si possono identificare nelle Societal Challenges "Health" e, "Food" nonche' nei programmi LEIT e FET.

Il quadro delle ricerche in ambito nazionale

Innumerevoli e consolidati sono i rapporti con il mondo accademico da parte di tutti i gruppi di ricerca degli istituti operanti nella AP. Il risultati delle collaborazioni si riflettono anche nella acquisizione di numerosi finanziamenti ministeriali (FIRB, PRIN, SIR) e regionali (POR, FESR, FAS) condotti congiuntamente con gruppi universitari. Gli ambiti disciplinari su cui si concentrano le principali collaborazioni ricadono nel settore della salute, dei beni culturali, della scienza dei materiali e delle applicazioni nel campo dell'informatica. Alcuni programmi di ricerca in scienze della vita gestiti da fondazioni private nazionali hanno visto una forte partecipazione di gruppi di ricerca dell'area, che si sono aggiudicati importanti finanziamenti pluriennali. Inoltre, sono numerosi i legami con l'industria e le PMI mirati al trasferimento tecnologico, con particolare interesse nei settori dell'agroalimentare, cosmesi, sviluppo di tecnologia innovativa in microscopie a scansione, neurotossicità, gestione di reti informatiche e per il trasporto di energia. La presenza dell'area nei poli e distretti tecnologici attivati a livello locale e regionali è consolidata in Liguria, Sicilia , Toscana, Basilicata, Campania e Emilia Romagna.

Il posizonamento del Cnr

Nel DSFTM sono organizzati gruppi di ricercatori per l'analisi di "BigData" per applicazioni al "Crisis forecasting" in ambito economico, alla epidemiologia, alla fisica di base, alla fotonica, al particle tracking per applicazioni al traffico ei problemi di "flocking", con uso di infrastrutture di calcolo parallelo, come il CINECA. Nell'ambito della scienza dei materiali i ricercatori sono impegnati nella progettazione e ideazione di strumentazioni e tecniche per biosensori e per esperimenti per ESS e ISIS. Alcuni gruppi rappresentano un punto di riferimento internazionale per le scienze della vita, tra cui la comprensione dei meccanismi molecolari alla base di malattie genetiche e non-genetiche causate da difetti del trasporto ionico delle membrane, l'optogenetica, le applicazioni biomediche della fotonica, le applicazioni farmacologiche per le radioterapie, per malattie genetiche e diffuse, lo sviluppo di protesi auditive, la comprensione dei meccanismi delle malattie neuronali e dei meccanismi patologici correlati con alterazioni delle proteine, la comprensione dei meccanismi di rigenerazione tissutale utilizzando organismi modello invertebrati, lo studio dell'impatto tossico di nanomateriali sulla salute umana e sull'ambiente; l'uso di tossine e peptidi, biosensori fluorescenti, la protezione dell'ambiento marino, le malattie degenerative per aggregazione proteica, la tipicità e il miglioramento di prodotti vegetali e uso di vegetali nella fito-decontaminazione, la microscopia non lineare in vivo e la produzione di standard molecolari per la calibrazione di tecnologie ultrasensibili per marker tumorali, la fabbricazione e caratterizzazione elettrochimica di array di nano elettrodi su substrato funzionalizzato con probe per il riconoscimento molecolare per la biomedicina. Un'importante iniziativa è il Progetto di Interesse CRISIS Lab, per una nuova visione dell'economia dal punto di vista dei sistemi complessi con enfasi alle crisi sistemiche.

Le principali attvità svolte

Nuove tecniche di "crisis forecasting". Nuovi modelli sperimentali e teorici per la trasmissione sinaptica e per la caratterizzazione dei comportamenti collettivi di neuroni. Materiali soffici compositi, studi teorici e sperimentali. Proprietà dei vetri a bassa temperatura in sistemi finito-dimensionali. Fotonica dei sistemi complessi. Emissione laser e propagazione ottica in materiali disordinati per applicazioni bio-mediche. "Swarming" nel comportamento animale. Reti multilivello con applicazioni alla distribuzione elettrica o all'epidemiologia. "Materia quantistica": nuovi materiali come il grafene e i materiali a bassa dimensionalità. Meccanismi molecolari e cellulari del trasporto ionico delle membrane, misure e simulazioni multi-scala per la diffusione intra-cellulare, farmacologia molecolare, lipodomica, studio biofisico della meccano-biologia, processi molecolari della fotosintesi, danneggiamento da radiazione su basi di DNA e meccanismi di radiosensibilizzazione per applicazioni in radioterapia, spettroscopia elettronica e di massa e modelli computazionali di biomolecole; struttura di macromolecole biologiche; biofisica delle membrane e loro interazione con tossine e peptidi, nuovi sensori fluorescenti per utilizzo intracellulare, nanoscopie ottiche con super-risoluzione, nuovi metodi di indagine di singola molecola (es: spettroscopia di correlazione), imaging intravitale a due fotoni, biofisica ambientale, biofisica dell'espressione genica e della traduzione proteica e del controllo traduzionale, e processi di aggregazione delle proteine. Studio delle interazioni nanomateriali-organismi viventi, nanotossicologia, embriotossicologia. Misure e simulazioni multi-scala per la diffusione intra-cellulare, processi plasmo chimici su materiale biologico come cellule e terreni di coltura per la rigenerazione di tessuti o organi danneggiati. Stimolazione attraverso scariche ad alta pressione, o stimoli nano- e microtopografici, per la rigenerazione dei tessuti.

Le attività previste

Interazioni tra nanomateriali e sistemi biologici. Progettazione di nanomateriali per la medicina, e di dispositivi in grafene per la crescita di tessuti. Studio di fenomeni piroelettrici, piezoelettrici e fotorifrattivi integrati su materiali biocompatibili, per piattaforme innovative nel settore della morfogenesi cellulare. Studio della "architettura" della materia e della natura. Materiali complessi: nuovi semiconduttori e biosensori, ottica non lineare, immagazzinamento dell'idrogeno, materiali ferroelettrici e conduttori ionici, sistemi vetrosi ed i vetri di spin, sistemi granulari e lo studio delle fratture. Reti multi-livello e applicazioni. Fisica teorica della complessità e di base. Meccanismi molecolari del danneggiamento da radiazione, delle malattie genetiche e non-genetiche dai difetti del trasporto ionico nelle membrane. Applicazioni farmacologiche per radioterapie nella cura dei tumori, per malattie genetiche e diffuse (metodi sperimentali e computazionali), applicazioni in medicina ed ingegneria tissutale delle nanoscienze e delle tecnologie litografiche su materia soffice. Meccanismi delle malattie neuronali e i meccanismi patologici correlati con alterazioni delle proteine. Malattie degenerative che coinvolgono l'aggregazione proteica. Ricerca di nuovi farmaci e lo studio del loro meccanismo molecolare. Studio dell'organizzazione sovrastrutturale di RNA e proteine e loro ruolo nel controllo traduzionale. Strumenti per l'optogenetica e protesi auditive, dispositivi fotovoltaici per fotosintesi, tossine e peptidi per applicazioni nano-tecnologiche, biosensori luminescenti e micro/nanoimaging per indagini intracellulari ed in tessuti, protezione dell'ambiento marino, miglioramento di prodotti vegetali e nella fito-decontaminazione. Microscopia non lineare in vivo e standard molecolari per marker tumorali, caratterizzazione elettrochimica di array di nano elettrodi su substrato funzionalizzato per il riconoscimento molecolare per biomedicina.

Area tematica

Scienze fisiche e tecnologie della materia

Parole chiave

Complessità, biofisica, reti, neuroscienze, comportamento animale, swarming, genetica, farmacologia, danneggiamento da radiazione, radiosensibilizzatori, materia soffice, disordine, vetri, fotonica, grafene, ferroelettrici, effetto piroelettrico,, fotorifrattivo, piezoelettrico, materia quantistica, epidemiologia, scienze sociali, calcolo parallelo, dinamica molecolare, modelli multi-scala, ambiente marino, carbonio, biosensori luminescenti, fluorescenza, microscopia confocale, nanoscopia,, meccanobiologia, membrane lipidiche, malattie rare, fotosintesi, spettroscopia di proteine, aggregazione proteica, complessi sovramolecolari, biologia sintetica, agroalimentare, nanobiotecnologie, nanotossicologia, drug delivery, controllo traduzionale

Progetti

Ultimo aggiornamento: 23/04/2024