Descrizione del modulo "Nanoingegneria chimica ab-initio: struttura, legame e proprieta' di materiali di interesse tecnologico e dinamica di nanosistemi per il controllo della loro reattivita' chimica (PM.P07.002.003)"

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  • Descrizione del modulo "Nanoingegneria chimica ab-initio: struttura, legame e proprieta' di materiali di interesse tecnologico e dinamica di nanosistemi per il controllo della loro reattivita' chimica (PM.P07.002.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • 1. Materiali per H-storage: sono un anello fondamentale della futura H-economy 2. Cemento: riduzione della quantità di materiale necessario a costruire un'abitazione 3. Gli elettroliti solidi sono potenzialmente applicabili nelle celle a combustibile. 4. Materiali magnetoresistivi e magneto-elettrici sono potenzialmente impiegabili come trasduttori di segnale. 5. Batterie al Li: il loro largo impiego, per svariati bisogni individuali e collettivi, è ben noto. 6. La fusione nucleare potrebbe essere la risposta al continuo fabbisogno energetico. Negli impianti pilota la grafite è usata come materiale di contenimento e interagisce con le regioni \"fredde\" del plasma generando strutture variamente difettuali contenenti idrogeno 7. L'ingegnerizzazione della reattività chimica permette l'introduzione di processi produttivi meno dispendiosi a livello energetico e di risorse e pertanto più rispettosi dell'ecosistema (literal)
Tematiche di ricerca
  • 1. Energy materials: studio ab-initio e strutturale diffrattometrico (raggi X da luce di sincrotrone, neutroni) di elettrodi di tipo organico per batterie al litio, di materiali per stoccaggio di idrogeno, di elettroliti solidi per celle a combustibile, nanocompositi-magnetoplasmonici e materiali magneto-(resistivi ed elettrici) 2. Adsorbimento/reattività di semplici specie chimiche su grafite e NanoGrafeni 3. Effetti dei difetti (vacanze, specie adsorbite o contaminanti) sulle proprietà elettroniche e di trasporto del grafene, vari nanografeni e sistemi a base carbonio 4. Ingegnerizzazione della reattività in nanosistemi: studio energetico e simulazione dinamica di processi reattivi elementari legati a formazione di prodotti desiderati/indesiderati 5. Sviluppo di descrittori per tradurre in linguaggio chimico informazioni strutturali/elettroniche ottenute da approcci ab-initio o diffrazione di raggi X su materiali tecnologici 6. Studio della relazione fra proprietà meccaniche e struttura microscopica del cemento per ingegnerizzarne e migliorarne le proprietà (literal)
Competenze
  • 1. Materiali per H-storage: metodi ab-initio in fase condensata e analisi delle interazioni inter- e intramolecolari (F. Cargnoni, C. Gatti) 2. Spettroscopia NMR/EPR e di assorbimento ottico con Quantum-Espresso (D. Ceresoli). Interpretazione ab-initio di misure muon-spin-rotation 3. Elettrodi su base organica per batterie al litio: sviluppo di modelli interpretativi e criteri predittivi per nuovi materiali redox capaci di alto redox voltage tuning 4. Adsorbimento e reattività: codici DFT, inclusi quelli per strutture periodiche che utilizzano PW e codici molecolari MO; approcci Many Body (MPn, CASSCF/MCSCF, MRCI, MRPT) in codici standard 5. Solida esperienza nelle simulazioni di dinamica classica e quantistica, con realizzazione di metodi innovativi e codici proprietari (MD: TRAJ; QD: HAWP, LCSA) e uso di codici pubblici (QM: MCTDH, AIMD: VASP, SIESTA) 6. Proprietà elettroniche e spettrali di adsorbati su superfici e sviluppo di approcci teorico/computazionali non convenzionali 7. Descrittori: Gatti C autore/coautore dei pacchetti SW: TOPOND-13, TOPXD, XD-2006; ideatore con R. Bader della funzione sorgente 8. Esperienza nell'utilizzo di tecniche da luce di sincrotrone e neutroni (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • 1. Materiali per H-storage: i tetraboroidruri dei metalli alcalini sono una classe promettente di idruri complessi per applicazioni mobili, per il loro alto contenuto gravimetrico e volumetrico di H. Ma il loro uso è condizionato dalla bassa cinetica di assorbimento e eccessiva temperatura di desorbimento 2. Il processo di produzione del cemento è responsabile del 10% delle emissioni globali di CO2. Sinora poco si è fatto per ingegnerizzarne e migliorarne le proprietà meccaniche, aspetto che unito all'uso di nuovi minerali per produrre materiali cementizi permetterà la riduzione dell'impatto energetico e climatico del cemento 3. Elettrodi a base organica per batterie al litio: sostituzione dei catodi a metalli rari 4.L'idrogenazione può ampliare i già numerosi campi di applicazione delle Nanostrutture Carboniose, permettendo la costruzione di nano-devices con specifiche proprietà. Inoltre vi sono ampie prospettive per l'uso di queste nanostrutture nella componentistica elettronica 5.Ingegnerizzazione di reazioni di formazione di cluster metallici per produrre catalizzatori customizzati 6.Ottimizzazione di processi catalitici su superfici per presenza di specie molecolari adsorbite (literal)
Tecnologie
  • 1. Materiali: Calcoli DFT periodici. Densità degli stati, topologia della densità elettronica in fase condensata tramite QTAIM (TOPOND-13) 2. Codici TOPOND-98 e TOPOND-13 (inserito in CRYSTAL13) 3. Descrittori: codici della funzione sorgente nella sua forma locale e integrale. 4. Codici pubblici (VASP, Quantum-Espresso, SIESTA per strutture periodiche e GAMESS, VB2000, GAUSSIAN, MOLPRO, OCTOPUS per l'elettronica in molecole/supermolecole. MCTDH per la dinamica quantistica in tempo reale in sistemi estesi) 5. Codici di calcolo proprietari: 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, ecc.); LCSA per dinamica quantistica di system-bath in sistemi estesi; eTransport per lo studio del trasporto elettronico coerente. 6. Sviluppo/utilizzo di metodologie time-dependent (LCSA, eTransport, RPMD). (literal)
Obiettivi
  • 1.Materiali per H-storage: comprensione del disordine strutturale nelle fasi ad alta T di MeBH4, Me=Li-Cs 2.Cemento: relazione fra proprietà meccaniche e composizione chimica 3.Batterie al Li: sviluppo di metodi predittivi per elettrodi a base organica 4.Struttura cristallografica media/mesoscopica/locale e magnetica di Ce1-xLnxO2-x/2 (Ln=terre rare), GdBaCo2O5+d, EuTiO3, BixCo2-xMnO4, BiBa1-xMxO3 (M=K,La),Fe3O4@Au 5.Descrittori/Sviluppi quantomeccanici: Funzione Sorgente (FS): delocalizzazione elettronica su densità sperimentali Descrittori di interazioni non covalenti: relazioni con energie di interazione Implementazione FS e altri descrittori in codici plane-wave (PW) periodici. Proiezione da PW a basi gaussiane (BG) per solido confronto numerico fra codici a basi localizzate e a PW. Uso di BG per valutare in maniera rapida/efficiente l'operatore di scambio 6.Comprensione degli effetti che i difetti hanno sulle proprietà di trasporto di grafene e NG 7.Studio proprietà elettroniche dei costituenti di una futura elettronica a base C 8.Ingegnerizzazione delle reazioni per sintesi di cluster metallici con struttura atta a produrre catalizzatori customizzati (literal)
Stato dell'arte
  • 1. Materiali: Materiali per H-storage: scarsa conoscenza dei meccanismi di disordine strutturale nelle fasi ad alta T dei metallo-boroidruri Batterie al Litio: sostituzione dei catodi di metalli rari con catodi a base organica, meno costosi e più riciclabili Contributi rilevanti a questioni aperte sulla struttura atomica del cemento verranno da nuovi esperimenti di diffrazione e NMR ad alta risoluzione interpretabili solo tramite modelling ab-initio Elettroliti solidi per fuel cells e Magneto(resistivi/elettrici): per migliorarne la prestazione occorre capire la loro struttura difettuale Nanocompositi magneto-plasmonici: occorre razionalizzare le nanostrutture alla base delle loro proprietà fisiche 2. Interazione tra difetti puntuali e NanoGrafeni (NG) e trasporto elettronico in NG: tecniche Surface Science hanno rivelato proprietà particolari, spiegate o anticipate da simulazioni ab-initio o dinamiche classico-quantistiche 3.Ingegnerizzazione della reattività: modellizzando nanosistemi adeguatamente complessi si può indagare la formazione di prodotti d'interesse industriale 4.Lo sviluppo di nuovi descrittori basati su osservabili è un campo di ricerca trasversale molto attivo (literal)
Tecniche di indagine
  • 1) sviluppo ed uso del codice TOPOND-13. Implementa la Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM per sistemi in fase condensata. Distribuito a livello internazionale. Sviluppo SW della funzione sorgente 2) Sviluppo ed uso dei moduli GIPAW e Real Time TDDFT in Quantum-Espresso per lo studio di spettri NMR/EPR e di assorbimento ottico. Interfacciamento di GIPAW con codice SIMPSON per la simulazione di spettri NMR 3) Energetica: si utilizzano gli strumenti della chimica quantistica: dal DFT con tecnica slab-supercella nel contesto periodico 3-D fino ai più avanzati metodi a funzione d'onda 4) Sviluppo ed uso del codice a pacchetto d'onda eTransport per lo studio del trasporto elettronico coerente (literal)
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