Descrizione della commessa "Teoria e modeling computazionale di materiali e processi per le nanoscienze (MD.P06.014)"

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  • Descrizione della commessa "Teoria e modeling computazionale di materiali e processi per le nanoscienze (MD.P06.014)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Ricerca fondamentale sulla fisica della materia dura e soffice; applicazioni del calcolo HPC e delle nanotecnologie alle necessità di risparmio energetico e gestione intelligente delle risorse (literal)
Strumentazione
  • La commessa si avvale di infrastrutture di supercalcolo e laboratori di caratterizzazione spettroscopica. Le infrastrutture di supercalcolo includono: accesso privilegiato alla infrastruttura HPC CyberSar (circa 240 cores di elaborazione) ospitata al Dipartimento di Fisica di Cagliari. Inoltre l'attività sperimentale si avvale dei seguenti apparati sperimentali presso il dipartimento di Fisica dell'Università di Cagliari: sistema di pump-probe multicolore al femtosecondo; sistema per misure di fotoluminescenza risolta in tempo; microspettrometro al femtosecondo. (literal)
  • La \"strumentazione\" informatica utilizzata per le ricerche rientra nella categoria dei supercalcolatori paralleli. In linea di massima le macchine con la miglior resa costi/benefici sono sistemi commodity based che utilizzano processori commerciali opportunamente ingegnerizzati per migliorarne la gestibilita', il raffreddamente, lo storage, e la comunicazione di rete. Tali attrezzature sono ovviamente complesse, dispendiose e difficili da gestire. Grazie al contributo degli associati, i partecipanti alla commessa hanno accesso privilegiato, al cluster high-performance in rete veloce presso il CASPUR di Roma e infrastruttura HPC del consorzio CyberSar. Negli ultimi due anni la commessa si è arricchita di competenze sperimentali nel campo della optoelettronica di sistemi molecolari. (literal)
Tematiche di ricerca
  • La commessa (costituita da un unico modulo) si concentra sullo studio teorico-computazionale di nuovi materiali e processi per le nanotecnologie. Le tecniche utilizzate coprono tutta la gerarchia multiscala di metodi state-of-the-art, dalla dinamica molecolare classica alla many-body perturbation theory. Sono inclusi anche metodi sviluppati ad hoc entro la commessa stessa per il trattamento della superconduttivita' ab initio, della correlazione ab initio, e delle proprieta' strutturali, optoelettroniche e nanomeccaniche. I materiali studiati sono sia cristallini che nanocristallini o disordinati. Tra di essi, sono compresi: sistemi nanostrutturati inorganici (ossidi, solfuri, sistemi a base silicio ) e ibridi (polimerici e molecolari) per fotovoltaico avanzato e fotocatalisi; biominerali per catalisi di superficie; ossidi magnetici, dielettrici, multiferroici; superconduttori convenzionali, multigap ed ad high-Tc; materiali per elettronica molecolare; materiali biocompatibili e complessi molecolari di interesse biologico. (literal)
  • La commessa (costituita da un unico modulo) si concentra sullo studio teorico-computazionale di nuovi materiali e processi per le nanotecnologie. Le tecniche utilizzate coprono tutta la gerarchia multiscala di metodi state-of-the-art, dalla dinamica molecolare classica alla many-body perturbation theory. Sono inclusi anche metodi sviluppati ad hoc entro la commessa stessa per il trattamento della superconduttivita' ab initio, della correlazione ab initio, e delle proprieta' nanomeccaniche. I materiali studiati sono sia cristallini che nanocristallini o disordinati. Tra di essi, sono compresi: sistemi nanostrutturati inorganici a base silicio e ibridi polimerici per fotovoltaico avanzato; biominerali per catalisi di superficie; ossidi magnetici, dielettrici, multiferroici; superconduttori convenzionali, multigap ed ad high-Tc; materiali per elettronica molecolare; materiali biocompatibili e complessi molecolari di interesse biologico. (literal)
Competenze
  • I partecipanti alla ricerca (sia dipendenti che associati) sono studiosi di fisica computazionale dei materiali di diversi gradi di esperienza. I partecipanti ufficiali hanno tutti oltre dieci anni di attivita' in questo campo e approfondite conoscenze professionali che coprono tutto lo spettro delle tecniche computazionali oggi disponibili, sia in termini di utilizzo che di sviluppo di nuove funzionalita' dei codici di calcolo e di postprocessing. (literal)
  • I partecipanti alla ricerca (sia dipendenti che associati) sono studiosi di fisica computazionale dei materiali di diversi gradi di esperienza. I partecipanti ufficiali hanno tutti oltre dieci anni di attivita' in questo campo e approfondite conoscenze professionali che coprono tutto lo spettro delle tecniche computazionali oggi disponibili, sia in termini di utilizzo che di sviluppo di nuove funzionalita' dei codici di calcolo e di postprocessing. Alle competenze nel campo della simulazione atomistica si aggiungono tecniche di indagine sperimentale nel campo della spettroscopia ottica ultraveloce per lo studio della fotofisica di nanosistemi inorganici e ibridi. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Ricerca pre-competitiva per applicazioni avanzate nel campo della energia, della optoelettronica, fotonica, spintronica, fotovoltaico, farmacologia. (literal)
Tecnologie
  • Le tecnologie teorico-computazionali utilizzate sono numerose. In sintesi: Teoria del funzionale densita' (DFT) per il calcolo di energia, forze, stress, e conseguentemente proprieta' geometriche ed elettroniche dello stato fondamentale (incluse alcune proprieta' di risposta, e percorsi di diffusione con metodi statici);DFT linear-response perturbation theory (calcolo delle funzioni di risposta);DFT estesa allo stato superconduttivo (per il calcolo di gap e Tc);DFT self-interaction corrected (per sistemi correlati);Dinamica molecolare Car-Parrinello inclusa metadinamica e campi elettrici finiti;Dinamica molecolare tight-binding, con hamiltoniane quantistiche parametrizzate per semiconduttori polari, molecole organiche;Dinamica molecolare classica con potenziali modello (LJ, Amber, Orac, DL_POLY);Calcolo della struttura elettronica di sistemi nanocristallini inorganici e ibridi (metodo tight-binding con diagonalizzatori scalabili);Teoria many-body perturbativa in approssimazione GW e calcolo di stati eccitati mediante TD-DFT. Laboratorio per la crescita di materiali sottili in atmosfera ultra pura e laboratorio di misure ottiche di campioni sottoposti a pressione idrostatica. (literal)
  • Le tecnologie teorico-computazionali utilizzate sono numerose. In sintesi: Teoria del funzionale densita' (DFT) per il calcolo di energia, forze, stress, e conseguentemente proprieta' geometriche ed elettroniche dello stato fondamentale (incluse alcune proprieta' di risposta, e percorsi di diffusione con metodi statici);DFT linear-response perturbation theory (calcolo delle funzioni di risposta);DFT estesa allo stato superconduttivo (per il calcolo di gap e Tc);DFT self-interaction corrected (per sistemi correlati);Dinamica molecolare Car-Parrinello inclusa metadinamica e campi elettrici finiti;Dinamica molecolare tight-binding, con hamiltoniane quantistiche parametrizzate per semiconduttori polari, molecole organiche ...;Dinamica molecolare classica con potenziali modello (LJ, Amber, Orac, DL_POLY);Calcolo della struttura elettronica di sistemi nanocristallini inorganici e ibridi (metodo tight-binding con diagonalizzatori scalabili);Teoria many-body perturbativa in approssimazione GW e calcolo di stati eccitati mediante TD-DFT. Laboratorio per la crescita di materiali sottili in atmosfera ultra pura e laboratorio di misure ottiche di campioni sottoposti a pressione idrostatica. (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo della commessa e' la comprensione e, dove rilevante, la ottimizzazione di meccanismi fisici in azione in materiali funzionali con applicazioni in campo energetico, e di interesse biologico. Una lista parziale comprende: a) conversione fotovoltaica in nanostrutture inorganiche e ibride mediante la modellazione multiscala delle regioni attive; b) fotofisica e fotocatalisi in nanosistemi colloidali eco-compatibili; teoria e spettroscopia ottica ultraveloce c) ossidi funzionali e studio di materiali a forte correlazione elettronica mediante metodi avanzati da principi primi; proprietà e design di eterostrutture di ossidi con funzionalità di trasporto, magnetotrasporto, termoelettriche, e fotovoltaiche; d) studio del trasporto termico in nanostrutture a semiconduttore e in nanonastri di grafene e) studio teorico computazionale di materiali magnetici e superconduttori e proprieta di trasporto in alti campi magnetici; f) biomineralizzazione ed impiego di biominerali nella catalisi mediante la simulazione atomistica da principi primi; g) meccanismi molecolari e assemblaggio di complessi di interesse biologico-medico mediante modellazione multiscala; (literal)
  • Su un orizzonte di 2-4 anni, l'obiettivo e' la comprensione e, dove rilevante, la ottimizzazione di meccanismi fisici in azione in materiali funzionali e strutturali, e di interesse biologico. Una lista parziale comprende: a) efficiente fotoconversione in nanostrutture inorganiche a base silicio e ibride (polimero-nanostruttura inorganica) c) interdipendenza delle transizioni magnetiche, strutturali, ferroelettriche, e superconduttive in ossidi drogati a dimensionalita' variabile; c) transizione superconduttiva sotto perturbazione in metalli e superconduttori multigap d) risposta dielettrica in ossidi cristallini e amorfi per microelettronica e) biomineralizzazione ed impiego di biominerali nella catalisi. f) meccanismi molecolari e assemblaggio di complessi di interesse biologico-medico. (literal)
Stato dell'arte
  • Nei paesi avanzati, la materials science computazionale e le sue applicazioni alle nanotecnologie sono attivamente perseguite. La capacita' di utilizzare o sviluppare tecniche diversificate a seconda della scala temporale o dimensionale del problema e' un aspetto importante di questa attivita'. Il ruolo della simulazione è duplice: \"misura teorie\" (validazione su sistemi realistici di nuove teorie/metodi di teoria degli stati condensati) e studia alla scala atomica le proprietà fisiche dei materiali. La commessa e' ben collocata in questo campo a livello internazionale, come dimostrato da: competenza sull'intera gamma dei moderni metodi di teoria degli stati condensati; disponibilità di un completa famiglia di codici, dalla struttura elettronica da primi principi alla dinamica molecolare su potenziali modello. La commessa è efficacemente produttiva come dimostrato da: centinaia di pubblicazioni scientifiche; parecchie decine di relazioni su invito a congressi internazionali; notevole successo di \"fund raising\", misurato in termini di progetti presentati e approvati. Sito http://sito www.slacs.it. (literal)
  • Nei paesi avanzati, la materials science computazionale e le sue applicazioni alle nanotecnologie sono attivamente perseguite. La capacita' di utilizzare o sviluppare tecniche diversificate a seconda della scala temporale o dimensionale del problema e' un aspetto importante di questa attivita'. Il ruolo della simulazione è duplice: \"misura teorie\" (validazione su sistemi realistici di nuove teorie/metodi di teoria degli stati condensati) e studia alla scala atomica le proprietà fisiche dei materiali. Questa commessa e' ben collocata in questo campo a livello internazionale, come dimostrato da: competenza sull'intera gamma dei moderni metodi di teoria degli stati condensati; disponibilità di un completa famiglia di codici, dalla struttura elettronica da primi principi alla dinamica molecolare su potenziali modello. La commessa è efficacemente produttiva come dimostrato da: centinaia di pubblicazioni scientifiche; parecchie decine di relazioni su invito a congressi internazionali; lusinghiero successo di \"fund raising\", misurato in termini di progetti presentati e approvati. Sito http://sito www.slacs.it. (literal)
Tecniche di indagine
  • Genericamente intesa, la tecnica usata e' quella della simulazione numerica di opportune proprieta' statiche o dinamiche della materia, in dipendenza dallo specifico problema in esame. Essa si effettua tramite codici sviluppati prevalentemente ad hoc o di pubblico dominio (vedi sotto), utilizzando calcolatori specializzati come descritto sopra, e tramite postprocessing grafico. L'attività sperimentale è sviluppata a livello di tecniche di spettroscopia ottica ultraveloce (pump probe, fotoluminescenza al femtosecondo), in regime lineare e non. (literal)
  • Genericamente intesa, la tecnica usata e' quella della simulazione numerica di opportune proprieta' statiche o dinamiche della materia, in dipendenza dallo specifico problema in esame. Essa si effettua tramite codici sviluppati prevalentemente ad hoc o di pubblico dominio (vedi sotto), utilizzando calcolatori specializzati come descritto sopra, e tramite postprocessing grafico. L'attività sperimentale è sviluppata a livello di tecniche di spettroscopia ottica ultraveloce, in regime lineare e non. (literal)
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