Descrizione del modulo "MD.P06.014.001 Teoria e modeling computazionale di materiali e processi per le nanoscienze (MD.P06.014.002)"

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  • Descrizione del modulo "MD.P06.014.001 Teoria e modeling computazionale di materiali e processi per le nanoscienze (MD.P06.014.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Ricerca fondamentale sulla fisica della materia dura e soffice (literal)
Tematiche di ricerca
  • Il modulo (unico della commessa) 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)
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. 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)
Obiettivi
  • l'obiettivo del modulo 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)
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)
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, in regime lineare e non. (literal)
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