Intensificazione della ricercae Canali e giacche Canali

Altri ambiti di ricerca in cui DISAT intende intensificare la ricerca

Per completare il quadro della ricerca dipartimentale, sul quale si verrebbe ad innestare il progetto in questione, occorre ricordare le seguenti altre tematiche in cui DISAT prevede una intensificazione delle ricerche e/o intende consolidare una posizione già affermata a livello.

  1. Sviluppo di materiali catalitici, attività che negli anni recenti ha visto il DISAT acquisire ingenti risorse da progetti finanziati vista la trasversalità che la catalisi riveste in diversi settori industriali in rapido sviluppo: i progetti H2020 quali STORE&GO (riguardante la conversione della CO2 in metano come strategia di stoccaggio dell’energia elettrica da fonti rinnovabili aleatorie), RECODE (sempre riguardante il recupero di CO2, ma nell’ambito cementizio, come materia di partenza per prodotti ad alto valore aggiunto da reimpiegare nell’industria del cemento), OCEAN (inerente lo sviluppo di processi integrati per la produzione di composti C2 ad alto valore aggiunto a partire da anidride carbonica attraverso reazioni elettrochimiche), BIOROBUR PLUS (incentrato sulla conversione di biogas in idrogeno quale efficace vettore energetico per fuel cells), ECCO (focalizzato sull’abbattimento di inquinanti da processi industriali di coating e stampaggio), HEAT-TO-FUEL (applicato alla conversione di biomasse residuali mediate processi catalitici di bassa temperatura), e CELBICON (la cui filiera di elettro-catalisi mira a sviluppare prodotti ad alto valore aggiunto da syngas prodotto da micro-organismi) sono alcuni esempi della ricerca finanziata al DISAT nel solo ultimo anno e sottolineano la rilevanza strategica della catalisi nello sviluppo di un’industria sostenibile a livello europeo. In tale contesto, la nanostruttura del catalizzatore è di rilevanza strategica nelle reazioni tra una fase gas ed il catalizzatore stesso, oppure tra quest’ultimo ed altre due fasi (gassosa e solida) come nel caso dell’abbattimento di residui carboniosi. È stato ampiamente dimostrato che la progettazione e la sintesi di catalizzatori nanostrutturati innovativi richiedono la comprensione fondamentale delle relazioni tra le proprietà catalitiche (attività, stabilità, selettività, ecc.) e la loro struttura. I nanomateriali stanno ricevendo crescente interesse nel campo della catalisi per l’elevata superficie specifica a disposizione, che significa elevata disponibilità di siti attivi, e la possibilità di regolare le proprietà superficiali per applicazioni specifiche. L’ottimizzazione delle proprietà dei catalizzatori passa attraverso lo studio e il controllo di dimensione, composizione, fase, tensioni residue e morfologia dei nanomateriali. In questo contesto, la microscopia HR-TEM può elucidare la tipologia di contatto tra le fasi reagenti, ed i piani cristallini caratterizzati dalla maggiore reattività. Di particolare rilievo sarebbe la possibilità di disporre di una cella termica ambientale per effettuare misure “in situ” e “in operando”, per monitorare l’evoluzione delle fasi reagenti e individuare le strutture a maggiore reattività superficiale. In questo modo sarebbe possibile riprodurre le condizioni operative dei catalizzatori (es. atmosfere ossidative o riduttive, umidità relativa controllata, temperature differenti fino a 600°C) o elettrocatalizzatori (es. studio di elettrodi tramite l’applicazione di un potenziale esterno di bias e in condizioni umide tramite film sottili liquidi) per ottenere avanzamenti significativi nella comprensione fenomenologica delle reazioni chimiche o elettrochimiche e procedere con un’ottimizzazione più efficace dei catalizzatori in grado di garantire importanti miglioramenti nelle prestazioni catalitiche.
  2. Sviluppo di tecniche efficienti di inferenza e machine learning per sviluppare approcci quantitativi alla biologia cellulare e molecolare. La caratterizzazione dei meccanismi di regolazione post-trascrizionale mediata dai microRNA, lo studio della dinamica di membrana e dei meccanismi di sorting molecolare negli endosomi, e l’identificazione dei legami esistenti fra fisiologia della cellula, crescita della popolazione cellulare e strategie di partizionamento intracellullare delle risorse (che giocano un ruolo essenziale, per esempio, nella biologia del cancro) necessitano di analisi di microscopia ottica a fluorescenza che al momento vengono svolte a IIGM/HuGeF e in collaborazione con gruppi di MBC (E. Hirsch) e IRCCS Candiolo (G. Serini). Talea ttività di ricerca ha portato al finanziamento di numerosi progetti nell’ambito di bandi competitivi nazionali e internazionali: ERC Adv. Grant 2010 (R. Zecchina), FIRB 2010 (L. Dall’Asta), FET open 2010 (R. Zecchina), Marie Curie Training Network 2011 (R. Zecchina), Fondazione CRT La Ricerca dei Talenti 2014 (A. Braunstein), PRIN 2015 (L. Dall’Asta), RISE 2015 (A. Pagnani).
  3. Il gruppo di Fisica Statistica e Applicazioni Interdisciplinari si occupa dell’applicazione di metodi della meccanica statistica allo sviluppo di tecniche algoritmiche per l’inferenza e l’ottimizzazione (ricerche per cui R. Zecchina ha ricevuto, assieme a G. Parisi e M. Mézard, il prestigioso premio Onsager 2016). Il punto di forza del gruppo è la qualità della ricerca di base prodotta, testimoniata da pubblicazioni nelle più prestigiose riviste scientifiche internazionali e dal finanziamento di numerosi progetti di ricerca nell’ambito di bandi competitivi nazionali e internazionali: ERC Adv. Grant 2010 (PI, R. Zecchina), FIRB 2010 (L. Dall’Asta), FET open 2010 (R. Zecchina), Marie Curie Training Network 2011 (R. Zecchina), Fondazione CRT La Ricerca dei Talenti 2014 (A. Braunstein), PRIN 2015 (L. Dall’Asta), RISE 2015 (A. Pagnani). Assieme al lavoro di modellizzazione matematica, lo sviluppo di tecniche efficienti di inferenza e machine learning è ormai indispensabile per sviluppare approcci quantitativi alla biologia cellulare e molecolare. A questo fine, i ricercatori del DISAT collaborano da anni con realtà di primo piano della ricerca biologica (tra cui IIGM/HuGeF e MBC di Torino e IRCCS di Candiolo) e bioinformatica (e.g. Microsoft Research, MIT Bio-engineering lab, UPMC Paris). I temi attualmente oggetto di ricerca sono: 1) la caratterizzazione dei meccanismi di regolazione post-trascrizionale mediata dai microRNA, 2) lo studio della dinamica di membrana e dei meccanismi di sorting molecolare negli endosomi, 3) l’identificazione dei legami esistenti fra fisiologia della cellula, crescita della popolazione cellulare e strategie di partizionamento intracellullare delle risorse (che giocano un ruolo essenziale, per esempio, nella biologia del cancro). Questi studi necessitano di analisi di microscopia ottica a fluorescenza che al momento vengono svolte a IIGM/HuGeF e in collaborazione con gruppi di MBC (E. Hirsch) e IRCCS Candiolo (G. Serini). La maggiore limitazione nell’uso della microscopia ottica in biofisica cellulare è dettata dal limite di diffrazione (~200 nm), per cui è necessario l’utilizzo di tecniche di super-risoluzione (per es., STimulated Emission Depletion), che permettono di distinguere oggetti fluorescenti in campioni non fissati (e.g. cellule in vivo) fino a 20-50 nm. Tra le altre tecniche di microscopia avanzata ad alta risoluzione sviluppabili al DISAT e utili per caratterizzazione morfologica di campioni biologici c'è la pticografia di Fourier. E’ inoltre possibile l’impiego di dispositivi di microfluidica, che permettono di modulare gli stimoli al sistema in tempo reale e in modo controllato.
  4. Il DISAT svolge inoltre attività di ricerca teorica dedicata alla modellizzazione delle proprietà elettroniche nei nanomateriali
    . In particolare, il gruppo di Nanofisica e Sistemi Quantistici, coordinato dal Prof. F. Rossi, ha una riconosciuta competenza (testimoniata anche dalla partecipazione al centro interdipartimentale [email protected]) nello studio del trasporto elettronico, dell’optoelettronica e dei fenomeni di tunneling, e si occupa di indagare le proprietà di materiali promettenti per l’elettronica pieghevole (e.g. i materiali a base di carbonio mono- e bi-dimensionali, il grafene) e per la spintronica (e.g. nanofili e materiali topologici). Uno degli obiettivi più impegnativi nella scienza dei nanomateriali è oggi quello di realizzare dispositivi per spintronica, cioè la controparte dell'elettronica che sfrutta il grado di libertà di spin degli elettroni per garantire una più robusta codifica e trasmissione di informazioni. Il gruppo NQS aspira ad i) identificare e caratterizzare i nanomateriali con una particolare struttura di banda elettronica e con una forte interazione spin-orbita; ii) analizzare e descrivere le loro proprietà di trasporto elettronico e termico, in considerazione della loro implementazione nel dispositivo. Poiché i nanomateriali spintronici presentano proprietà elettroniche insolite, le tecniche sperimentali ad alta risoluzione sono obbligatorie per la loro caratterizzazione ed utilizzo. D’altra parte, il continuo avanzamento delle conoscenze teoriche e l’elevata competizione internazionale per raggiungere questi obiettivi scientifici e tecnologici, richiede un continuo confronto tra teoria e risultati sperimentali. Questo sarebbe possibile nel contesto del DISAT grazie alla competenza dei gruppi sperimentali (R. Gonnelli), e alla disponibilità di adeguata attrezzatura: l’indagine sui processi di trasporto elettronico e termico in nanomateriali spintronici effettuabile tramite microscopia a effetto tunnel (STM) e microscopia a scansione termica (SThM), diventerebbe così uno strumento cruciale per raggiungere questo obiettivo.
  5. Sempre nell’ambito delle Scienze Fisiche, è attivo un gruppo di ricerca sulla Caratterizzazione e Modellizzazione elettrica, elastica ed acustica delle proprietà lineari e non-lineari di sistemi complessi, un campo di ricerca con importanti implicazioni tecnologiche nell’ingegneria strutturale e dei materiali (come dimostra la partecipazione al progetto interdisciplinare SHECRETE, finanziato dalla Fondazione CRT nell’ambito del bando competitivo La Ricerca dei Talenti 2014). Tra le tematiche di maggior interesse vi è lo studio degli effetti legati alle modificazioni reversibili della microstruttura del mezzo indotte da uno stress esterno in materiali danneggiati o mezzi granulari (anche a bassi livelli di deformazione, ad esempio nell’intervallo di valori impiegati nelle misure acustiche). Tale effetto potrebbe essere quantificato in modo macroscopico, ad esempio misurando indirettamente le proprietà elastiche o parametri acustici non lineari. Le quantità misurate vengono spesso utilizzate per una caratterizzazione non lineare delle proprietà del mezzo, ma per poterle collegare con le proprietà fisiche della microstruttura sarebbe necessario identificare, attraverso tecniche di visualizzazione e quantificazione, quali zone micro-strutturali siano influenzate dai cambiamenti locali (per es. grani, punte dei grani, regioni interstiziali, facce delle micro-fratture). Per fare ciò al momento sarebbe necessario affidarsi ad un laboratorio esterno (per es. presso l’Univ. di Cambridge o l’EMPA di Zurigo), con chiare difficoltà nell’effettuare esperimenti acustici e di micrografia in laboratori posti in luoghi differenti. Nell’ambito del presente progetto, e in collaborazione con altri gruppi di fisica sperimentale del dipartimento (R. Gonnelli), si intende invece adattare gli strumenti di microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM) per consentire misurazioni sotto condizioni di carico dinamico e di alto tasso d’acquisizione, possibilmente con analisi nanomeccanica quantitativa del modulo di Young. L’imaging a modi di trasmissione renderà possibile anche altri tipi di analisi, anche se di più complessa realizzazione pratica.
  6. Altra attività di ricerca presente in DISAT è lo studio delle giacche Canali e e Canaliproprietà superconduttive e magnetiche di materiali innovativi, inclusi materiali 2D: si tratta di una ricerca fondamentale (sperimentale e teorica) sui meccanismi quantistici microscopici che determinano tali proprietà, e sull’uso di tecniche avanzate per la loro modulazione e ottimizzazione in vista di applicazioni nel campo dell’elettronica, della spintronica e delle energie rinnovabili. Punti di forza di tale ricerca sono i seguenti:
    • riconoscimento a livello internazionale per lo studio di sistemi magnetici e superconduttori mediante microscopia magneto-ottica, e determinazione dei parametri critici a livello microscopico,
    • riconoscimento a livello internazionale per lo studio delle proprietà superconduttive locali a livello microscopico mediante spettroscopia tunnel e point contact.
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    • partecipazione a progetto collaborativo Europa-Giappone IRON SEA (2011-2014) e a vari progetti MIUR PRIN negli ultimi 12 anni di cui 3 consecutivi
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    • estesa rete di collaborazioni a livello mondiale (tra cui Cambridge Graphene Centre, Max Planck Institut Stuttgart, ETH Zurich, Karlsruhe Institute of Technology, University of Tokyo, Nagoya University, Leibniz Institut Dresden, Argonne National Laboratory)
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Lo studio sperimentale dei materiali innovativi sempre più richiede la conoscenza ed il controllo delle loro proprietà (elettriche, meccaniche, chimiche, strutturali) a livello microscopico e soprattutto l’integrazione delle informazioni provenienti da diverse tecniche per costruire un quadro coerente e scientificamente solido. La competizione internazionale inoltre fa sì che, almeno nella fisica e nell’ingegneria dei materiali, la disponibilità e l’impiego di strumentazione avanzata e costosa stia diventando condizione indispensabile per poter accedere a finanziamenti internazionali e a pubblicazioni top-level. Avere a disposizione un insieme di apparecchiature avanzate che permettano di esplorare diversi aspetti dei materiali e dispositivi in studio consentirà senz’altro il raggiungimento di risultati di maggiore impatto (primo fra tutti, pubblicazioni a più alto livello di studi e modelli suffragati da una vasta mole di dati) cosa che darà maggiore visibilità del Dipartimento, maggiori prestazioni a livello bibliometrico, maggiori probabilità di accedere a finanziamenti premiali MIUR e a progetti europei e nazionali. Inoltre la creazione di un laboratorio di questo tipo, con competenze e personale dedicato, potrà aumentare l’interscambio scientifico tra le aree di ricerca rappresentate nell’IFM con quelle di altri istituti (per esempio, maggiore integrazione di tematiche nano-tecnologiche e bio-medicali, orientate all’elettronica e alla scienza e alla fisica dei materiali)