Descrizione della commessa "Nanoingegneria chimica computazionale e strutturale (NICCS) (PM.P07.002)"

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  • Descrizione della commessa "Nanoingegneria chimica computazionale e strutturale (NICCS) (PM.P07.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • (a)I fotocatalizzatori basati su TiO2 nanostrutturato sono materiali promettenti per la green chemistry. Si impiegano nelle celle solari, per fotodegradare inquinanti, produrre vernici o rivestimenti autopulenti. (b)L'interazione ad alogeno permette di assemblare sistemi molecolari con specifiche proprietà elettroottiche e di ottenere materiali competitivi per superconduttori, cristalli liquidi e optoelettronica (c)Strutture supramolecolari basate su silice funzionalizzata per formare legami ad alogeno permettono nuove applicazioni in sistemi con processi di immobilizzazione superficiale (sensoristica, immobilizzazione di biomolecole). (d)I materiali per H-storage sono un anello fondamentale della H-economy (e)Ridurre la quantità di cemento necessario a costruire un'abitazione ha grande impatto ecologico (f)Gli elettroliti solidi sono potenzialmente applicabili nelle celle a combustibile; i materiali magnetoresistivi e meganetoelettrici come trasduttori di segnale (h)Le batterie al Li sono largamente usate per svariati bisogni individuali/collettivi (i)Lo sviluppo/distribuzione di sofisticati codici di calcolo soddisfa le specifiche esigenze di numerosi laboratori di ricerca (literal)
Strumentazione
  • Per il calcolo ci si avvale di due cluster, rispettivamente di 7 e 16 bi-processori i686, di un cluster di 8 mono-processori i686 e di un cluster di 96 cores (6 nodi di calcolo da 16 core twin Intel Xeon). Per gli studi di diffrazione di raggi X si utilizzano un diffrattometro APEX CCD 2000, dotato di un criostato OXFORD ad azoto liquido, ed un diffrattometro a quattro cerchi Siemens P4 (detector convenzionale), equipaggiato con un criostato CRYODYNE a ciclo chiuso di elio. (literal)
Tematiche di ricerca
  • L'attività si articola in 3 progetti di ricerca o moduli: 1. Diffrazione di raggi X (XRD) ad alta risoluzione, electron density (ED) quality, e metodi innovativi di analisi della ED sperimentale e teorica 2. Progettazione, sintesi, studio strutturale XRD e teorico computazionale di nuovi materiali nanostrutturati, assemblati tramite specifiche interazioni intermolecolari (e.g. legame ad alogeno), con particolare riferimento ad applicazioni in optoelettronica. Studio del ruolo del legame ad alogeno in strutture biologiche tramite QM/MM e dinamica molecolare. 3. Nanoingegneria di nuovi materiali con tecniche ab-initio e semiclassiche, con applicazioni a sistemi d'interesse tecnologico nel campo dell'energetica e dell'ambiente (materiali per H-storage, cemento, elettroliti solidi per celle a combustibile, etc.), della nanoelettronica (nanografeni, NG, nanoparticelle di oro) della nanotecnologia e della catalisi (nanoparticelle di Au, adsorbimento su superfici). A livello propedeutico per la comprensione della materia a livello atomico: studio del legame chimico in sistemi non convenzionali e sviluppo di nuovi descrittori applicabili anche a densità elettroniche sperimentali. (literal)
Competenze
  • - Diffrazione di raggi X su cristallo singolo a bassa temperatura (T<110K) per caratterizzare la struttura di materiali e di sistemi supramolecolari ad alta complessità - Diffrazione di raggi X e di neutroni su polveri a bassa ed alta T per lo studio della struttura media e del disordine locale tramite Pair Distribution Function. - Metodi computazionali per simulare biomolecole (dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo) e studiare le interazioni fra proteine - Sviluppo algoritmi e programmi per l'analisi di densita' di carica teoriche e sperimentali e calcolo delle relative proprieta' (codici PAMoC e TOPOND-13)e di codici per simulazioni di dinamica classica e quantistica (TRAJ e HAWP) - Sviluppo di nuovi approcci di dinamica quantistica \"System-Bath\" per sistemi di grandi dimensioni (Local Coherent State Approximation) tipici della gas-surface dynamics - Proprietà elettroniche e spettrali di adsorbati su superfici e sviluppo di approcci teorico/computazionali non convenzionali - Sviluppo di nuovi descrittori chimici - Sintesi di composti metallorganici,di materiali oligomerici e polimerici,inorganici e organici - RMN multinucleare e a sequenze d'impulsi e in stato solido (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • (a)La preparazione di network inorganici opportunamente funzionalizzati per favorire la formazione di legami ad alogeno rende possibile l'uso di sistemi porosi (argille) per la filtrazione e la catalisi eterogenea, a più basso costo rispetto alle zeoliti. (b)Polimeri fluorurati funzionalizzati, reticolati fisicamente attraverso legame ad alogeno, possono essere utilizzati come lubrificanti ad alte temperature. (c)Materiali per H-storage: i tetraboroidruri dei metalli alcalini sono una classe promettente di idruri complessi per applicazioni mobili, (d)L'uso di nuovi minerali per produrre materiali cementizi permetterà la riduzione dell'impatto energetico e climatico del cemento (e)Catodi a base organica per batterie al litio per sostituire catodi a metalli rari (f)L'idrogenazione può ampliare i già numerosi campi di applicazione delle nanostrutture grafitiche (NG) permettendo la costruzione di nano-devices con specifiche proprietà. (g)L'ingegnerizzazione di reazioni di formazione di cluster metallici può portare alla produzione di catalizzatori customizzati (h)La presenza di specie molecolari adsorbite può portare all'ottimizzazione di processi catalitici su superfici (literal)
Tecnologie
  • (a) Codici di calcolo pubblici: GAUSSIAN, GAMESS MOLPRO ed ADF per molecole e supermolecole; CRYSTAL e VASP per sistemi periodici; VALRAY ed XD per l'analisi multipolare dei fattori di struttura; AMBER9, Gromacs3 e Spartan per studi di analisi conformazionale, di simulazione di biomolecole e delle interazioni fra proteine. (b) Codici di calcolo proprietari: PAMoC (analisi di densita' elettroniche sperimentali e teoriche); TOPOND (analisi di densita' teoriche di sistemi periodici); ELTRAP per la valutazione di proprietà di trasporto elettronico a partire dalla struttura a bande; NCI-Milano per la valutazione delle interazioni non-covalenti tramite il Reduced Density Gradient, TRAJ, per lo studio della dinamica quasi-classica di scattering di atomo/molecola su superficie; HAWP codice time-dependent wave-packet per lo studio dei processi di collisione atomo-adsorbato (diffusione, reazione Eley-Rideal, desorbimento indotto da collisione); EMBEDDING per calcoli di struttura elettronica di sistemi localmente perturbati. (c) Sintesi e caratterizzazione chimica: tecniche di Schlenk per la preparazione di composti organici e inorganici in atmosfera inerte (literal)
Obiettivi
  • Obiettivo generale è simulare le proprietà e predire il comportamento di sistemi molecolari complessi e nuovi materiali di rilevante interesse chimico e di importanza strategica in settori quali: - chimica bio- e supra-molecolare, riconoscimento molecolare, progettazione di farmaci, modellazione di proteine, \"crystal engineering\", optoelettronica; - analisi di processi chimici fondamentali in ambienti complessi; - H-economy, risparmio energetico, green-chemistry A tal scopo si sfrutta la sinergia tra tecniche sperimentali ad alta risoluzione, quali misure di diffrazione di raggi X a temperature inferiori a 110 K, e i metodi propri della chimica computazionale (ivi inclusi lo sviluppo di software specifico e la creazione di banche dati di descrittori della densità elettronica teorica e sperimentale). Un obiettivo specifico è ad esempio la comprensione del potenziale tecnologico dei processi di auto-assemblaggio basati sul legame ad alogeno per ottenere materiali nanostrutturati dotati di proprietà elettroottiche e la comprensione dell'interazione tra molecole alogenate e substrati biologici per sfruttare il ruolo del legame ad alogeno in processi biochimici di tipo terapeutico. (literal)
Stato dell'arte
  • La NIC permette di studiare, progettare e ottimizzare sistemi complessi e nuovi materiali. L'approccio modellistico e di calcolo pone l'enfasi sugli aspetti interpretativi, predittivi e di manipolazione della materia, quello strutturale e di ED sul caratterizzare la reale natura di un sistema, inclusa la difettualità e non conformità ad un modello inevitabilmente approssimato. Il confronto tra i due ambiti si attua in questa commessa. Applicazioni: 1. La XRD è indispensabile per conoscere la struttura cristallina e conformazione molecolare in stato solido. La ED dà informazioni quantitative sulle interazioni elettrostatiche tra molecole ( crystal engineering , interpretazione della struttura di complessi enzima-substrato o enzima-inibitore per predire struttura, stabilita' e folding di proteine) 2. L'utilizzo razionale di specifiche interazioni intermolecolari (e.g. il legame ad alogeno) consente l'assemblaggio di materiali con proprietà optoelettroniche modulabili a priori (es. AIE, Aggregation Induced Emission) 3. I NG, l'ingegnerizzazione della reattività,le proprietà di trasporto e la dinamica elettronica delle specie adsorbite su superfici sono temi di ricerca di avanguardia (literal)
Tecniche di indagine
  • (a) Indagine strutturale mediante tecniche di: (i) diffrazione di raggi X, utilizzando diffrattometri a cristallo singolo (con detectors convenzionali e CCD) e basse temperature (20-110 K), o sorgenti non-convenzionali quali la luce di sincrotrone, di spallazione e reattori nucleari; (ii) RMN multinucleare e spettroscopia UV (soluzione e stato solido) (b) caratterizzazione delle proprietà ottiche di materiali con spettroscopia UV (stato solido e soluzione) (c) Modellistica molecolare: CCSD(T), MP2, DFT, TDDFT e metodi ibridi QM/MM (d) Modellistica macromolecolare: dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo e analisi conformazionale (d) Analisi proprietà atomiche e di legame secondo la teoria QTAIM (Quantum Theory of Atoms in Molecules) (e) sviluppo di SW per la QTAIM in vacuo e fase condensta (PAMoC, TOPOND-13, VALTOPO, XD-2006,NCI-milano) (f) Modellistica in fase condensata (tecniche ab-initio periodiche) (g) Sviluppo codice TRAJ per simulazioni classiche e codice HAWP (include l'approssimazione LCSA per lo studio della dinamica quantistica di chemisorbimento) (h) Sviluppo codice \"embedding\" per lo studio di spettri continui e impurezze isolate (literal)
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