Descrizione del modulo "Spettroscopia, Imaging e Intrappolamento di nanosistemi colloidali, supramolecolari e superfici (MD.P01.014.006)"

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  • Descrizione del modulo "Spettroscopia, Imaging e Intrappolamento di nanosistemi colloidali, supramolecolari e superfici (MD.P01.014.006)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • A breve e medio termine la ricerca proposta in questo modulo è da considerarsi di carattere prettamente scientifico e non si propone di dare risposte a bisogni individuali e collettivi che non siano quelle relative all'avanzamento delle conoscenze nei settori di competenza. Su lungo termine si prevede che queste ricerche possano avere ricadute importanti nel settore della salute ed in quello dell'energia. In particolare le nuove tecniche di imaging e manipolazione ottica con risoluzione nanometrica stanno trovando sempre maggiori applicazioni nella comprensione delle funzioni di trasduzione dei segnali mediate da proteine di membrana e nello studio delle proprietà meccaniche di cellule tumorali. I biosensori ottici basati su nanoparticelle metalliche ad effetto SERS trovano applicazione nella diagnosi di patologie tumorali, cardiovascolari e associate ad infezioni batteriche e virali mediante la rivelazione di agenti proteici in quantità infinitesime. Nanotubi di carbonio e grafene si stanno rivelando ottimi materiali per la sensibilizzazione dei dyes e la conduzione della corrente nelle celle solari di terza generazione, oltre che come sensori ottici e chimici. (literal)
Tematiche di ricerca
  • L'attività si sviluppa su due assi complementari: 1-Struttura e dinamica di dispersioni e colloidi, bio- e supramolecole, liquidi nano strutturati mediante tecniche di microscopia (confocale, SNOM) e spettroscopia ottica (PL, Raman, UV-VIS) disponibili on-site, e di spettroscopia a raggi X e neutronica presso large scale facilities. Struttura e proprietà di ossidi metallici, di sali ionici a temperatura ambiente in soluzione acquosa, moto Browniano di strutture 1D e 2D intrappolate otticamente, nano-imaging di agreggati supramolecolari, spettroscopia Raman di proteine, di nanotubi di carbonio e grafene, nanodiamanti, semiconduttori, vetri e materiali amorfi. 2-Studio dell'interazione luce-materia su scala meso- e nanoscopica finalizzato allo sviluppo di tecniche di imaging spettroscopico su scala nanometrica (Near-Field Optical Microscopy, Tip-Enhanced Raman Spectroscopy), per l'intrappolamento ottico (Optical/Raman Tweezers), la manipolazione e l'analisi di micro- e nanoparticelle in liquido, e per lo sviluppo di sensori molecolari ad altissima sensibilità basati su spettroscopie Raman Surface-enhanced (SERS) indotte da nano antenne e nanocolloidi metallici. (literal)
Competenze
  • Il modulo raggruppa competenze teorico-sperimentali in diversi settori della soft-matter quali : - realizzazione di microscopi a campo prossimo (SNOM in fluorescenza e Raman) e impiego nell'imaging di aggregati supramolecolari e colloidali. - intrappolamento e manipolazione ottica di micro- e nanostrutture, microfluidica. - spettroscopia Raman e di fluorescenza in fluidi complessi, ossidi e semiconduttori nanostrutturati, biomolecole, vetri e materiali amorfi,. - dispersione e individualizzazione di nanotubi di carbonio e grafene. - spettroscopia Raman Surface-Enhanced e Tip-Enhanced. - modellizzazione teorica nel formalismo della matrice di transizione (T-matrix) delle proprietà di scattering elettromagnetico su scala meso- e nanoscopica di nanostrutture e colloidi metallici. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Il carattere di questo modulo è prettamente scientifico. In quanto tale è votato all'avanzamento delle conoscenze nel campo delle tematiche scientifiche affrontate. Pertanto le strumentazioni e le competenze ivi presenti non sono da intendersi come finalizzate ad applicazioni in processi produttivi. Ciononostante alcune delle tecniche di analisi, quali la spettroscopia e la nanoscopia ottica, così come la spettroscopia vibrazionale 'plasmon enhanced' hanno vaste possibilità di applicazione nell'ambito della sensing molecolare, biochimico, di proteine di interesse nella diagnosi preventiva. (literal)
Tecnologie
  • Le tecnologie disponibili in questo modulo riguardano: - Ultrasonicazione e Centrifugazione per la dispersione di nanotubi di carbonio e grafene in soluzioni acquose con l'aiuto di surfattanti. - Procedure per la produzione di punte metalliche con raggi di curvatura apicali sub-50 nm, capaci di produrre amplificazioni di campo all'apice > 10. - Sintesi chimica di nanocolloidi di argento - Etching chimico per la strutturazione su scala micrometrica di fibre ottiche finalizzato alla produzione di sensori (literal)
Obiettivi
  • Nella commessa \"Sistemi macromolecolari, polimeri e fluidi complessi\" questo modulo si occupa degli aspetti legati a soft matter e nanotecnologie. Gli obiettivi saranno: (1) caratterizzazione spettroscopica di materiali che mostrano fasi nanostrutturate con rilevanti proprietà fisico-chimiche quali liquidi ionici, biomolecole e aggregati supramolecolari, ossidi metallici e nanometalli (particelle e/o colloidi), nanostrutture a base di carbonio (tubi, grafene e nanodiamante); (2) sviluppo e di tecniche di microscopia/spettroscopia ad alta sensibilità e risoluzione spaziale nanoscopica quali microscopia a campo prossimo (SNOM) e tip-enhanced Raman scattering (TERS) polarizzato; (3) comprensione teorico/sperimentale dei meccanismi di intrappolamento ottico di nanometalli e colloidi, studio dell'idrodinamica di strutture 1D e 2D intrappolate; (4) realizzazione e caratterizzazione di sensori SERS basati su nanoantenne ottiche con proprietà plasmoniche ingegnerizzate; (5) modellizzazione delle proprietà ottiche risonanti di nanostrutture metalliche (Au, Al, Ag) e ibride, con geometria variabile; (6) dispersione di nanotubi e grafene e caratterizzazione spettroscopica di singole strutture (literal)
Stato dell'arte
  • Lo stato dell'arte in questo settore vede un'intensa ricerca nello sviluppo di materiali con proprietà nuove, quali nanostrutture metalliche (nanoantenne) che sfruttano le oscillazioni collettive elettroniche (plasmoni) per amplificare e confinare la luce su scala nanometrica, nanostrutture a base di carbonio (nanotubi, grafene), macromolecole per smart drug delivery. Allo stesso tempo, l'impiego di questi materiali consente di realizzare strumenti e dispositivi dalle funzionalità senza precedenti quali microscopi ad altissima risoluzione spaziale (sub 10 nm), sensori ad altissima sensibilità (single molecule sensitivity), bio-sensori label-free, strumenti per la manipolazione ottica con altissima sensibilità di forza (femtoNewton) e risoluzione spaziale (10nm),nuovi dispositivi fotonici basati su guide d'onda metalliche, etc.A queste si affiancano nuove tecniche di modellizzazione teorica che consentono la previsione del comportamento ottico di questi materiali e ne aiutano l'ingegnerizzazione delle proprietà, tra questi il formalismo della matrice T, il metodo dei multipoli multipli, e dei multipoli accoppiati. (literal)
Tecniche di indagine
  • Il modulo si avvale di un set di tecniche di indagine teorico-sperimentali quali: - Un microscopio AFM/SNOM implementato per spettroscopia (PL, Raman) atto all'imaging delle proprietà morfologiche e ottiche (elettroniche,fononiche, plasmoniche, etc.) dei materiali su scala nanometrica. - Un apparato di Pinzette Ottiche dotato di tracking interferometrico della posizione per la misura di prorietà di micro reologia in fluidi complessi, per la comprensione dei meccanismi di intrappolamento di nanostrutture, per la manipolazione e l'analisi (Raman, PL) di nanostrutture. - Apparati di spettroscopia/microscopia Raman e di fluorescenza (CW, eccitazione NUV-VIS-NIR) per analisi (e l'imaging diffraction limited) di struttura in solidi e liquidi nanostrutturati, delle proprietà di confinamento quantistico e di amplificazione di campo legati a fenomeni di risonanze plasmoniche in nanoantenne e colloidi metallici. - Metodi numerici (T-matrix formalism) per la simulazione delle proprietà ottiche di nanostrutture metallico/semiconduttore e ibride, di molecole di interesse in bioastronomia e per l'interazione meccanica tra queste e la luce (trasferimento di impulso e momento angolare) (literal)
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