Chimica per Materiali Innovativi

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Le attività di design, sintesi, caratterizzazione avanzata e studio computazionale di materiali svolte da CNR-ICCOM si applicano in diversi settori della chimica e della fisica, con forti interazioni e sinergie con le altre aree tematiche, quali la chimica per l’energia, la chimica verde e processi sostenibili, la chimica per la salute e le scienze della vita e la conservazione dei beni culturali, grazie alle ampie competenze sperimentali e teoriche disponibili. Le principali classi di materiali studiate includono catalizzatori eterogenei e nanoparticelle, materiali a base polimerica e loro micro e nanocompositi, materiali 2D eventualmente funzionalizzati e loro nanocompositi polimerici, Metal Organic Frameworks (MOFs). I vari sistemi sono ottenuti tramite approcci di sintesi e reazioni di modifica post-polimerizzazione, e caratterizzati con metodi spettroscopici (FT-IR, UV-vis, spettroscopia di fluorescenza, NMR, EPR, Raman) di microscopia (SEM, TEM), tecniche in grado di fornire informazioni circa le prestazioni termiche, meccaniche e funzionali (DSC, TGA, OIT, dinamometro) e calcolo teorico e computazionale predittivo.

Nel campo della chimica per l’energia, lo sviluppo di materiali innovativi riguarda ad esempio:

• Materiali per il fotovoltaico organico di nuova generazione;
• Materiali nanostrutturati da utilizzare in elettrodi per dispositivi elettrochimici, elettrolizzatori, celle a combustibile;
• Catalizzatori molecolari e nanostrutturati, omogenei ed eterogenei, per produzione di idrogeno da vari processi, incluso lo splitting dell’acqua, e loro caratterizzazione avanzata tramite metodi spettroscopici, microscopia e studio delle proprietà tramite calcolo teorico predittivo;
• Materiali adsorbenti nanostrutturati di nuova generazione (MOF, SAPO, materiali compositi) per l’accumulo termico e per sistemi a pompa di calore.

Nel campo della chimica per i processi sostenibili, lo studio dei materiali include:

• Materiali per processi di metanazione e metanolazione catalitici sostenibili, altamente efficienti e selettivi;
• Miscele di solventi e materiali porosi (MOFs) per la cattura di anidride carbonica (CCS) e la sua conversione in prodotti chimici ad alto valore aggiunto (CCU);
• Materiali catalitici per la riduzione elettrochimica o fotochimica della CO₂ e la purificazione dei gas naturali da H₂S;
• Nuovi metodi teorici-computazionali di “high-throughput screening” per predire nuovi catalizzatori in grado di operare in condizioni di temperatura e pressioni drasticamente ridotte rispetto a quelle attualmente impiegate;
• Nuovi materiali 2D a base di fosforo;
• Catalizzatori bimetallici per la conversione efficiente di substrati organici tramite processi ossidativi;
• Sviluppo di metodologie chemical vapor generation (CVG) per la preparazione di nanomateriali;

La ricerca sui materiali avanzati per applicazioni nelle scienze della vita include, tra l’altro:

• Sviluppo di materiali antitumorali 2D a base di fosforo;
• Studio mediante SSNMR multinucleare di idrossiapatite sintetizzata via sol-gel, in assenza e in presenza di ossido di grafene, come parte inorganica di un sistema terapeutico iniettabile;
• Sintesi e lo studio, di sistemi ibridi magneto-plasmonici a base di ferrite e metalli nobili, come ad esempio magnetite o ferriti miste o core/shell come agenti diagnostici multifunzionali o teranostici;
• Sviluppo di nanoparticelle di magnetite funzionalizzate per applicazione come agenti di contrasto per MRI e per la terapia combinata hadron/ipertermia.

Nel campo della sintesi e caratterizzazione di materiali innovativi a base polimerica e loro micro- e nano-compositi le competenze (SS Pisa) includono:

• Introduzione controllata di gruppi funzionali su catene polimeriche (bio- e oil-derived) mediante modifica post-polimerizzazione per l’ottenimento di coupling agent utilizzati nel settore del packaging, nell’industria automobilistica e delle costruzioni;
• Funzionalizzazione/attivazione di superfici polimeriche mediante fotoirraggiamento o plasma freddo, per la modifica delle proprietà di superficie di film polimerici, micro e nanosfere, laminati e substrati in tessuto non tessuto;
• Preparazione e caratterizzazione di sistemi inorganici 2D modificati con agenti funzionali quali cromofori, molecole antibatteriche, antivirali e/o antiossidanti (anche derivati da biomasse) per l’ottenimento di sistemi host-guest funzionali; dispersione degli ibridi in bulk di polimeri e deposizione su superfici polimeriche per l’ottenimento di materiali con applicazione nei settori dell’active-food-packaging, della cosmetica, e dei presidi sanitari;
• Decoring del 2D-bP con coloranti organici e materiali polimerici per applicazioni nel campo dell’optolettronica.

Altri materiali ed applicazioni includono:

• Sintesi controllata e riproducibile di nanoeterostrutture hard/soft con geometria core-shell o eterodimerica;
• Strategie di accoppiamento di materiali magnetici soft e hard prodotti su larga scala.

Le importanti competenze di caratterizzazione spettroscopica di materiali (SS Pisa) sono applicate a problemi quali:

• Studio tramite NMR a stato solido (ssNMR) di cementi a base di fosfati di magnesio, in presenza di additivi di varia natura;
• Uso di metodi di spettroscopia di Risonanza Magnetica Elettronica (EPR) e Nucleare (NMR) e di rilassometria NMR per caratterizzare materiali di interesse per applicazioni in campo tecnologico o biomedico;
• Studio delle condizioni di vulcanizzazione e dell’aggiunta di rinforzanti (silice e carbon black) sulle proprietà dinamiche di elastomeri di interesse per l’industria degli pneumatici; studio dell’efficienza di poliammidoammine come ritardanti di fiamma su tessuti di cotone;
• Caratterizzazione di microfibre polimeriche prodotte tramite processo di elettrofilatura dopate con materiali adsorbenti (zeoliti SAPO34 o gel di silice) per applicazioni di accumulo termico “power to heat”;
• Caratterizzazione tramite tecniche FTIR, Raman e NMR di campioni di liquidi ionici da impiegare in sistemi di accumulo termico, sottoposti ad un trattamento di invecchiamento ad elevata temperatura ed a contatto con diversi substrati metallici (acciaio, rame, ottone);
• Caratterizzazione spettroscopica di materiali polimerici sotto forma di film, soluzioni e polveri, di pigmenti sottoposti a processi di invecchiamento e di fibre di carbonio PAN-based nei diversi step di processing.

Ampie competenze nella spettroscopia non lineare applicata anche ai materiali, insieme alle tecniche di studio in condizioni di alte pressioni, sono garantite dai ricercatori CNR-ICCOM con sede di lavoro presso LENS-Università degli Studi di Firenze.