Descrizione del modulo "Nanoingegneria chimica di sistemi assemblati mediante interazioni intermolecolari specifiche (PM.P07.002.002)"

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  • Descrizione del modulo "Nanoingegneria chimica di sistemi assemblati mediante interazioni intermolecolari specifiche (PM.P07.002.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • L'interazione ad alogeno può essere utilizzata per l'assemblaggio di sistemi molecolari con specifiche proprietà elettroottiche, consentendo di ottenere materiali competitivi dal punto di vista applicativo in molteplici campi (es. superconduttori, cristalli liquidi, optoelettronica). Lo studio del legame ad alogeno nei poliioduri, su cui si basano i processi di conduzione di corrente nelle DSSCs, risulta inoltre indispensabile per migliorare l'efficienza e la durata di tali dispositivi. La possibilità di realizzare strutture supramolecolari basate su silice opportunamente funzionalizzata al fine di instaurare legami ad alogeno apre nuove prospettive di applicazione nei sistemi che prevedono processi di immobilizzazione superficiale (es. sensoristica, immobilizzazione di biomolecole). Nanoparticelle di silice funzionalizzate e in particolare fluorurate presentano grande interesse dal punto di vista tecnologico e industriale con applicazioni in campi quali metallurgia, ottica, elettronica, catalisi. Inoltre un trattamento di fluorurazione aumenta le proprietà idrofobiche del materiale in oggetto. (literal)
Tematiche di ricerca
  • 1)Investigazione computazionale e sperimentale delle proprietà strutturali, elettriche, elettroniche ed ottiche, lineari e non-lineari, di nuovi materiali funzionali supramolecolari assemblati mediante specifiche interazioni intermolecolari, con particolare riferimento al legame ad alogeno. 2)Sintesi di sistemi metallorganici, organici e inorganici, per la preparazione di sintoni coinvolti in strutture supramolecolari basate sul legame ad alogeno 3)Studio del ruolo del legame ad alogeno nel campo delle biomolecole. (literal)
Competenze
  • - Determinazione delle proprietà elettroniche ed ottiche di sistemi molecolari e supramolecolari tramite metodi quanto-meccanici - Metodi computazionali per la simulazione di biomolecole (tecniche di dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo) e per lo studio delle interazioni fra proteine - Tecniche di analisi conformazionale - Caratterizzazione strutturale di materiali, ed in particolare di sistemi supramolecolari di elevata complessità, tramite diffrazione di raggi X su cristallo singolo - Sintesi di composti metallorganici, anche in atmosfera inerte, e di materiali oligomerici e polimerici, inorganici e organici - Caratterizzazione chimico-fisica dei composti preparati e studio della loro reattività - Elevata competenza nella esecuzione di esperimenti di risonanza magnetica nucleare multinucleare e a sequenze di impulsi (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • La preparazione di network inorganici opportunamente funzionalizzati per dar luogo alla formazione di legami ad alogeno può ragionevolmente aprire un nuovo ambito di utilizzazione di sistemi porosi (argille) per la filtrazione e la catalisi eterogenea a più basso costo rispetto alle tradizionali zeoliti. Alcuni dei nuovi materiali preparati potranno inoltre essere utilizzati per trattamenti di superfici (materiali ceramici, vetri, metalli e polimeri) per modificarne il comportamento idro- e oleo-repellente. Polimeri fluorurati funzionalizzati reticolati fisicamente attraverso legame ad alogeno possono inoltre essere utilizzati come lubrificanti per alte temperature: se i polimeri sono di tipo fosfazenico tali lubrificanti possono essere utilizzati laddove altri rappresentano un pericolo per la formazione di scintille. (literal)
Tecnologie
  • Per la modellazione dei sistemi supramolecolari si utilizzano i più avanzati packages di calcolo quantomeccanico, tra cui Gaussian, ADF, GAMESS-UK, GAMESS-USA e CRYSTAL. L'analisi topologica della densità elettronica viene effettuata con i programmi AIM e TOPOND-98. Gli studi di analisi conformazionale, di simulazione di biomolecole e delle interazioni fra proteine vengono condotti con i programmi AMBER9, Gromacs3 e Spartan. Le tecnologie utilizzate nell'ambito della sintesi e della caratterizzazione chimica sono basate sull'utilizzo delle metodologie di preparazione di composti organici e inorganici anche in atmosfera inerte (tecniche Schlenck) e sull'uso delle diverse metodologie di analisi chimica, spettroscopica e fisica. (literal)
Obiettivi
  • 1) Comprensione e piena applicazione del potenziale tecnologico/applicativo dei processi di auto assemblaggio basati sul legame ad alogeno, al fine di ottenere materiali organici, inorganici e metallorganici nanostrutturati dotati di proprietà elettroottiche con reali possibilità di trasferimento tecnologico. Questi obiettivi generali si articolano nel: - progettare e sintetizzare moduli molecolari con specifiche proprietà elettroottiche - autoassemblare i moduli in nano strutture orientate mediante interazioni non-covalenti - determinare le proprietà elettroottiche dei nanomateriali ottenuti - reiterare i tre passaggi sopradescritti fino all'ottenimento di nanomateriali competitivi dal punto di vista applicativo. 2) Comprensione dell'interazione tra molecole alogenate e substrati biologici, al fine di razionalizzare il ruolo del legame ad alogeno in processi biochimici, in particolare di tipo terapeutico. Ciò consentirà di sviluppare nuovi e più efficaci approcci allo sviluppo di farmaci e di comprendere gli effetti indesiderati di alcuni prodotti chimici a cui l'uomo è comunemente esposto (es. molecole polialogenate). (literal)
Stato dell'arte
  • Nel campo della nanoingegneria chimica, il legame ad alogeno D…X-Y, ovvero l'interazione non covalente tra una base di Lewis D e un atomo di alogeno X legato ad un opportuno substrato Y, si è rivelato un valido strumento per la progettazione di nuovi materiali con applicazioni sia in ambito tecnologico che biofarmacologico. Studi teorici e sperimentali hanno infatti dimostrato come tale interazione sia caratterizzata da un vasto range energetico, nonché da elevata direzionalità e specificità, e possa essere quindi utilizzata, sia da sola che in competizione o in sinergia con il legame ad idrogeno, per la sintesi di architetture supramolecolari con prefissate proprietà. Il modelling predittivo costituisce uno strumento fondamentale per la progettazione di nuovi materiali con le caratteristiche sopra descritte, consentendo il calcolo accurato sia delle energie di interazione fra i moduli molecolari individuati che delle loro proprietà. Di recente interesse, inoltre, è il ruolo del legame ad alogeno nel campo delle biomolecole. Le particolari caratteristiche di tale interazione la rende infatti utile nel design di inibitori di proteine e quindi di sicuro interesse per il drug design (literal)
Tecniche di indagine
  • - Modellistica molecolare di sistemi supramolecolari tramite metodi quantomeccanici, tra cui le tecniche CCSD(T), MP2 e DFT. Viene inoltre condotta l'analisi topologica della densità elettronica tramite QTAIM - Modellistica molecolare di macromolecole: si utilizzano tecniche di dinamica molecolare, metadinamica, Monte Carlo e analisi conformazionale - Indagine strutturale: si utilizza la tecnica di diffrazione di raggi X, tramite diffrattometri convenzionali e sorgenti non-convenzionali quali la luce di sincrotrone presso Elettra ed ESRF. L'utilizzo della bassa temperatura è spesso condizione necessaria per ottenere dati di buona qualità - Caratterizzazione chimica e indagini spettroscopiche: gli studi sulle relazioni struttura/reattività-proprietà spettroscopiche vengono condotti in particolare mediante tecniche di risonanza magnetica nucleare sia in soluzione che in stato solido multinucleare - Caratterizzazione chimico-fisica: le proprietà ottiche dei materiali preparati vengono studiate anche mediante spettroscopia UV sia in stato solido che in soluzione - Studio delle proprietà elettriche mediante BDS (Broadband Dielectric Spectroscop (literal)
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