1. Di cosa si occupa la tematica di ricerca
I materiali presenti nella nostra vita sono estremamente numerosi e vari (es. polimeri, metalli, nanocompositi, fibre tessili ecc.) e molte delle loro applicazioni fanno parte del nostro quotidiano. La ricerca è quindi indirizzata a caratterizzare e studiare le proprietà chimico-fisiche dei materiali per progettarne e prepararne (sintesi) di nuovi, o migliorare quelli esistenti e contestualmente identificare delle strategie per implementarli come sistemi attivi e passivi all’interno di dispositivi multifunzionali per l’elettronica, bioelettronica, fotonica e catalisi.
ISMN opera principalmente nei materiali organici come polimeri, small molecules, biomateriali. Su questa base organica si sviluppano inoltre materiali nanocompositi e sistemi ibridi (principalmente interfacce organico/inorganico). I materiali inorganici in ISMN sono rappresentati da: nanoparticelle metalliche, materiali magnetici, ossidi e perovskiti.
Tali materiali vengono utilizzati per realizzare in sistemi nanostrutturati a bassa dimensionalità quali film sottili per il rivestimento e la funzionalizzazione della superficie, rendendola così funzionale rispetto ad un processo che avviene nell’ambiente interagente (ad esempio, in aria o in liquido). Le superfici siffatte sono utilizzate come sistemi passivi. Per quanto riguarda i sistemi attivi, i quali rispondono ad uno stimolo variando le loro proprietà chimico/fisiche, l’istituto sviluppa principalmente dispositivi o sensori optoelettronici, a cui si affiancano, transistor organici, memorie, sensori magnetoresistivi, biosensori, sensori elettrochimici ed elettrodi catalizzatori.
Infine, riportiamo solo qualche ambito di interesse per l’utilizzo di questi materiali: nel caso dei materiali catalitici vengono impiegati in processi industriali per migliorarne le rese e/o la produzione di ‘energia pulita’, nei processi di combustione (es. marmitte catalitiche) per emissioni a basso impatto ambientale; i materiali biologici vengono usati impiegati per lo sviluppo di dispositivi sensoristici per il monitoraggio ambientale/alimentare ai fini della salute ambientale e sicurezza alimentare; i materiali di interesse medico trovano applicazione nella veicolazione e direzionamento di principi farmacologicamente attivi per colpire in modo mirato la parte malata.
2. Con quali strumenti
La sintesi dei materiali parte dalla loro progettazione, preparazione con tecnologie strumentali di alte prestazioni o con tecniche classiche di laboratorio. La seconda fase consiste nella loro caratterizzazione chimico-fisica mediante tecniche analitiche strumentali; l’Istituto possiede diverse di queste tecniche di caratterizzazione: microscopiche (SEM,AFM), spettroscopiche (FTR, RAMAN, DRS, FLUORESCENZA, AAS—–), diffrattometriche a raggi X, elettroanalitiche…..
Nella fase successiva, i materiali sono stati implementati come strati attivi nella pletora di vari dispositivi elettronici (transistor, diodi, memorie), optoelettronici (diodi ad emissione di luce, fotodiodi, transistor ad emissione di luce, celle fotovoltaiche), fotonici (laser, guide d’onda, cristalli fotonici), magneti (magnetoresistenze, spinvalve) e quindi di caratterizzazione multifunzionale avanzata delle varie figure di merito dei diversi dispositivi in ambiente controllato. Infine, i dispositivi a singolo componente vengono integrati in moduli e sistemi per la sensoristica, cioè atti a trasdurre un segnale chimico o biologico in un segnale elettrico, ottico, magnetico.
L’ultima fase di questo processo consiste in test di simulazione in laboratorio per saggiare le proprietà del sistema sensore rispetto all’impiego prefissato mediante verifica delle performance in relazione alle specifiche richieste del caso studio e/o dell’utilizzatore finale. Infine, viene dimostrata l’effettiva operabilità e performance del sensore in ambiente operativo significativo.
Le metodologie per realizzare gli obiettivi sopra indicati nell’ambito dei materiali e dispositivi avanzati sono bilanciate tra processi di sintesi, tecniche di caratterizzazione elettriche ottiche, optoelettroniche e di caratterizzazione superficiale ed infine, computazionali.
La distribuzione omogenea di queste tecniche metodologiche nelle diverse sedi dell’istituto riflette la realtà multi-disciplinare dell’istituto.
La fabbricazione dei film sottili avviene mediante tecniche di sublimazione in alto vuoto e tecniche da soluzione: tali tecniche sono implementate con molteplici strumenti che garantiscono di ottimizzare caratteristiche strutturali dei film come la possibilità di costruire eterostrutture e di generare dispositivi a larga area. Le proprietà fisiche dei film sottili e/o dei sistemi, ad esempio elettriche, morfologiche, strutturali e magnetiche, sono studiate mediante sistemi di caratterizzazione elettrica standard, microscopia a scansione di sonda/elettronica, di microscopia ottica avanzata (fluorescenza e raman), XPS, XRD, tecniche magnetiche locali e di superficie. Le proprietà chimiche sono principalmente studiate mediante metodi elettrochimici.
3. Quali sono gli obiettivi -. Impatto nella vita quotidiana
La strategia per massimizzare l’impatto delle attività scientifiche e tecnologiche in relazione ai tre pillar della sostenibilità (environemental, economic, social) si basa sullo sviluppo di nuovi approcci innovativi nella ingegnerizzazione di sensori e biosensori per molteplici applicazioni. In particolare, gli ambiti applicativi di interesse sono: la biodiagnostica portatile e personalizzata, il monitoraggio ambientale, e la qualità/sicurezza alimentare. Tipicamente vengono disegnati e realizzati sistemi multifunzionali (quali sensori optoelettronici che operano da trasduttori bidirezionali di un segnale ottico\elettrico in uno elettrico\ottico) che vengono dotati di superfici funzionalizzate in modo da ampliare la capacità di trasduzione anche alla rilevazione chimica superficiale.
Tali sistemi vengono poi integrati per generare una rete distribuita che viene gestita dall’intelligenza artificiale in modo da intercettare precocemente situazioni di pericolo da esposizione a sostanze potenzialmente nocive presenti nell’ambiente o negli alimenti.
Allo scopo di amplificare il più possibile la multidisciplinarietà e la trasversalità delle attività svolte tra le sedi dell’Istituto, si sottolinea come l’interazione sinergica di materiali e dispositivi innovativi possa diventare abilitante per ambiti a basso/medio contenuto tecnologico come la come la conservazione dei beni culturali: l’istituto è in prima linea nella formulazione di materiali nanocompositi per la sostenibilità dei manufatti (protezione e/o ristrutturazione) a cui può essere integrata una sensoristica miniaturizzata e distribuita capace di monitorare diversi parametri chimico/fisici superficiali dei manufatti.
Infine, le conoscenze sui processi e sulla fabbricazione di film sottili/ultra-sottili e materiali nanocompositi funzionali possono essere utilizzate per generare nuovi materiali con nuove funzionalità partendo da materiali e materie prime provenienti da catene di valore di riciclaggio/riutilizzo/riparazione