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I nano-cristalli inorganici colloidali sono tra i nano-materiali più utilizzati grazie alla loro ampia versatilità. Un approccio sintetico razionale per i nano-cristalli è di estrema importanza poiché vi è una crescente richiesta di materiali, a scala nanometrica, che abbiano diversità di composizione e che siano appositamente ingegnerizzati per forma, morfologia e funzionalità di superficie. Tali fattori permettono, infatti, di ottenere proprietà ottiche, elettroniche, magnetiche e catalitiche definite e quindi rendere i nanocristalli adatti alle applicazioni  nei campi più disparati della scienza e tecnologia.

Il nostro gruppo si concentra su molti aspetti di ricerca fondamentale, dalla sintesi avanzata dei nano-cristalli all’ assemblaggio, allo studio delle loro trasformazioni chimiche e strutturali. Le applicazioni di cui ci occupiamo, abbracciano i campi più disparati, includendo la catalisi, l’immagazzinamento di energia, l’optoelettronica e l’illuminazione. Inoltre, in collaborazione con altri gruppi dell’IIT, sviluppiamo cristalli per applicazioni in biomedicina (per esempio in laser ipertermia), per il foto-rilevamento, e per la rimozione dei metalli pesanti da fluidi contaminati.

Attività:

Il laboratorio di microscopia elettronica (EM) include due microscopi elettronici a scansione (SEM), entrambi con capacità analitiche: uno (JEOL JSM-6490LA) dedicato ad indagini di routine anche in condizioni di basso vuoto, ed uno strumento ad alta risoluzione (JEOL JSM-7500FA). Il laboratorio è anche equipaggiato con tre microscopi elettronici a trasmissione (TEM): uno di loro (JEOL JEM-1011) usato per acquisizione di immagini e pattern di diffrazione di routine, un altro (FEI Tecnai G2 F20) ottimizzato per crio-tomografia elettronica ed un terzo (JEOL JEM-2200FS, munito di correttore dell’aberrazione sferica della lente obiettivo), ottimizzato per acquisizione di immagini TEM ad alta risoluzione, e con capacità in-situ (riscaldamento, cella elettrochimica in liquido, crio). Il laboratorio include anche un’area dedicata alla preparazione dei campioni, sia per materiali soffici che duri, e per l’analisi mediante EM. Tutta la strumentazione permette di analizzare nei dettagli una vastissima varietà di campioni e processi.

La facility di caratterizzazione avanzata fornisce analisi strutturali e chimiche. Comprende un laboratorio di diffrazione a raggi X (XRD) munito di due diffrattometri. Il diffrattometro Rigaku Smartlab, equipaggiato con una sorgente Cu K ad anodo rotante da 9kW ed un goniometro a 5 assi ad alta risoluzione, è usato per misure avanzate di diffrazione a raggi X su una vasta gamma di materiali. Molti accessori (modulo per misure ad alta temperatura, supporto per capillare rotante per misure in liquido, modulo traslazionale XYZ automatico, rilevatore lineare D/teX Ultra SSD e modulo per caratterizzazione di batterie) sono disponibili per una larga varietà di misure (e.g. condizioni non ambientali ed analisi elettrochimiche in-situ). Inoltre, un sistema PANalytical Empyrean equipaggiato con ottica universale PreFIX, rilevatore Pixcell 3D 2x2 e piattaforma XYZ programmabile, è disponibile per misure di routine. In aggiunta, la struttura comprende un laboratorio di spettroscopia fotoelettronica, che include uno spettrometro fotoelettronico (Kratos UltraDLD) equipaggiato per spettroscopie a raggi X (XPS) e ad ultravioletto (UPS), permettendo quindi sia studi di livelli di core sia di banda di valenza. Il sistema è equipaggiato con un modulo a temperatura controllata (che opera tra i 77 e gli 870 K) e con un cannone ionico ad argon, per lo studio della composizione chimica in funzione dello spessore del campione investigato.

I nostri studi hanno l’obiettivo di comprendere i meccanismi alla base delle reazioni di scambio cationico nei nanocristalli. Una reazione di scambio di cationi è una trasformazione chimica post-sintetica nella quale i cationi di nanocristalli preformati sono scambiati con nuovi cationi. In questa trasformazione composizionale, nella maggior parte dei casi, la dimensione e la morfologia dei nanocristalli di partenza rimangono inalterate. Nel caso in cui, invece, solo una parte dei cationi originali venga sostituita con nuovi cationi si ottiene a formazione di leghe nanostrutturate o di nano-eterostrutture.

Ingegnerizzare nuovi nanomateriali, attraverso il controllo auto-organizzativo di nanocristalli colloidali, è un modo versatile per creare sofisticate strutture capaci di fornire diverse funzionalità. Noi lavoriamo sulla formazione di monostrati 2D ben ordinati – con un componente singolo o due tipi di forme componenti – e nano-solidi 3D, per i quali studiamo in dettaglio le interazioni tra i nanocristalli per una migliore comprensione dei meccanismi responsabili del loro autoassemblaggio. Attualmente, il nostro maggior interesse riguarda i nanocristalli con ramificazioni multiple. Utilizzando approcci sperimentali differenti prepariamo ibridi costituiti da nanocristalli e polimeri, con l’obiettivo di controllare le interazioni tra i componenti in modo da favorire l’organizzazione delle particelle in film ed incrementare nuove funzionalità nei materiali prodotti. Collaboriamo con gruppi che sviluppano simulazioni di dinamica molecolare, ottenendo così una completa analisi di auto-organizzazione dei nanocristalli e trovando i parametri chiave per controllare ed ottimizzare le strutture.

Nella catalisi eterogenea abbiamo come obbiettivo lo sviluppo di materiali innovativi per l’efficiente valorizzazione di nuove materie prime per la produzione di energia (i.e. metano e biomasse) e l’efficiente conversione di CO2, con lo scopo di promuovere un’economia sostenibile basata sul carbonio. Ci concentriamo su nanocristalli a elementi multipli nano-ingegnerizzati (i.e. nano-leghe e ossidi misti alla nanoscala), dove effetti sinergici in termini di interazioni elettroniche e strutturali potrebbero portare a risultati senza precedenti nei processi catalitici selezionati, di rilevanza dal punto di vista energetico.

Strumentazione

Il laboratorio di catalisi eterogenea è attrezzato con strumentazione allo stato dell’arte per la valutazione dell’attività catalitica e la caratterizzazione di materiali catalitici. Gli strumenti includono differenti micro-reattori, capaci di lavorare continuamente ed in parallelo. L’analisi della fase gas in uscita dai reattori può essere realizzata usando gas cromatografia, spettrometria di massa e spettroscopia non dispersiva ad infrarosso, permettendo sia lo studio di condizioni di reazione stazionarie che di condizioni dinamiche. Il laboratorio possiede anche la strumentazione per misure di assorbimento fisico e chimico. Con una strumentazione appositamente costruita siamo in grado di sfruttare una potente tecnica (detta spettroscopia di eccitazione modulare) che permette di monitorare l’evoluzione delle specie chimiche all’interfaccia gas-solido mediante spettroscopia infrarossa in riflessione diffusa (DRIFTS).

Le perovskiti a base di alogenuri di piombo stanno emergendo come uno dei materiali più promettenti per le applicazioni fotovoltaiche, nella loro forma bulk. D’altra parte, i nanocristalli ottenuti con questi materiali mostrano proprietà ottiche eccellenti su tutto lo spettro del visibile, tali da renderli interessanti come marker luminescenti inorganici, dispositivi per l’illuminazione e laser. Nel nostro gruppo, stiamo lavorando a nuovi approcci sintetici colloidali attraverso i quali controllare precisamente la dimensione, forma e composizione dei nanocristalli inorganici di perovskite a base di alogenuri di piombo al fine di ottimizzare le loro proprietà ottiche. I nanocristalli saranno quindi implementati in apparecchi optoelettronici, il tutto realizzato attraverso la collaborazione con altri gruppi dell’IIT. Inoltre, stiamo lavorando per risolvere il problema legato alla tossicità del piombo presente in questi materiali, sia testando cationi alternativi sia minimizzando il rilascio di piombo in ambiente attraverso l’ingegnerizzazione della superficie dei suddetti nanocristalli.

L’idrogeno ha attirato considerevole attenzione come un’efficiente vettore energetico alternativo ai combustibii fossili, in quanto forma di energia pulita e rinnovabile. Dal primo resoconto di Fujishima ed Honda del 1972 sull’idrolisi fotocatalitica dell’acqua (PEC) con TiO2 come fotoanodo, la generazione di idrogeno, utilizzando procedure semplici ed economiche, ha ricevuto un’attenzione crescente. La fotolisi dell’acqua mediante PEC usa materiali semiconduttori per convertire energia solare direttamente in energia chimica sotto forma di idrogeno. I materiali semiconduttori usati nel processo PEC sono simili a quelli usati nella generazione di energia elettrica del solare fotovoltaico, ma per le applicazioni PEC il semiconduttore è immerso in elettroliti a base di acqua, dove la luce solare energizza il processo di idrolisi. Il nostro gruppo ha recentemente iniziato a lavorare sulla sintesi, caratterizzazione e sulle applicazioni di nuovi nanocristalli colloidali basati su SnS, SnSe, SnSe2 e NiS mediante una iniezione bollente e reazioni di scambio ionico che potrebbero esser usati per idrolisi elettrocatalitica e fotocatalitica, con lo scopo finale di generare efficientemente idrogeno.

L'impiego, in batterie a ioni di litio o di sodio, di materiali ad intercalazione formati da particelle di dimensioni nanometriche, può contribuire a ridurre i problemi associati alla loro scarsa conducibilità ionica ed elettronica e favorire lo sviluppo di elettrodi ad alte prestazioni. L'attività sulle batteria comprende la sintesi e la caratterizzazione morfologica, strutturale ed elettrochimica di nano-cristalli, in vista della loro applicazione come elettrodi nelle batterie agli ioni di litio e sodio. In collaborazione col Graphene Labs vengono studiate le proprietà elettrochimiche di compositi grafene/nano-cristalli, come via alternativa per migliorare la conducibilità elettronica e le prestazioni degli elettrodi. I test elettrochimici vengono eseguiti in batterie tipo “coin-cell”, assemblate in “glove-box” sotto atmosfera di Argon con livelli di ossigeno e acqua

Semiconduttori nanocristallini drogati in modo degenerativo mostrano risonanze plasmoniche di superficie localizzate (LSPRs), che possono esser modulate su un largo spettro, dal visibile al vicino infrarosso mediante il controllo della densità dei portatori di carica. Nei nanocristalli di calcogeniuri di rame questo avviene controllando la densità di lacune di rame attraverso un trattamento post-chimico; mentre al contrario nei nanocristalli di ossidi metallici drogati avviene in seguito a caricamento capacitivo mediante drogaggio elettrochimico o fotochimico. Questi meccanismi fondamentalmente differenti di modulazione della risonanza plasmonica possono essere utili per diverse applicazioni, come ad esempio per sensoristica, per la rivelazione di metalli pesanti, per fotocatalisi o per innescare reazioni chimiche.

Abbiamo recentemente avviato una linea di ricerca con lo scopo di selezionare differenti materiali nanocristallini che abbiano un assorbimento significativo nella regione del vicino infrarosso (NIR) della “finestra dell’acqua”, dove la luce può penetrare in profondità nei tessuti biologici. Stiamo sviluppando la sintesi di questi materiali, ne studiamo le proprietà ottiche e strutturali e tentiamo di correlare l’efficienza di riscaldamento via laser con la loro struttura elettronica, utilizzando anche approcci computazionali. Quindi, in collaborazione con il Dipartimento D3 all’IIT, funzionalizziamo la superficie di questi nanocristalli per renderli stabili in mezzi biologici e studiamo il loro effetto fototermico su varie linee cellulari

Progetti

  1. SAN PAOLO (contract n. 2008.2381) - Coordinated by Università; di Siena.
    Molecular and morphological correlates of neuronal plasticity in rat models of learning
    Person in charge for IIT: A. Falqui. IIT Contribution: €60.000. Project start: July 1st 2009. End: June 30th 2012.
  2. FP7 Collaborative Project (MAGNIFYCO, contract n. 228622) - Coordinated by CNR-Lecce.
    Magnetic Nanocontainers for combined hyperthermia and controlled drug release
    Person in charge for IIT: L. Manna and T. Pellegrino. IIT Contribution: €327.720. Project start: September 1st 2009. End: February 28th 2013.
  3. FP7 ERC Starting Grant (NANO ARCH contract n. 240111).
    Assembly of Colloidal Nanocrystals into Unconventional Types of Nanocomposite Architectures with Advanced Properties
    Person in charge for IIT: L. Manna. IIT Contribution: €1.299.960. Project start: September 1st 2009. End: February 28th 2013.
  4. FP7 Collaborative Project (SCALENANO contract n. 284486) - Coordinated by IREC.
    Development and scale-up of nanostructured based materials and processes for low cost high efficiency chalcogenide based photovoltaics
    Person in charge for IIT: L. Manna; IIT Contribution: €305.400. Project start: February 1st 2009. End: July 31st2015.
  5. FIRB (Italian funds for fundamental research) project (contract n. RBAP115AYN) - Coordinated by Università degli Studi di Milano Bicocca.
    Ossidi nanostrutturati: multi-funzionalità e applicazioni
    Person in charge for IIT: L. Manna - IIT Contribution: €226.160. Project start: February 22nd 2012. End: February 21st 2015.
  6. FP7 Marie Curie Intra European Fellowship (IEF) NIRPLANA (contract n. 298022).
    Near-Infrared Semiconductor Plasmonic Nanocrystals for Enhanced Photovoltaics
    Person in charge for IIT: I. Moreels. IIT Contribution: €193.726,80. Project start: May 16th 2012. End: May 15th 2014
  7. FP7 Marie Curie Intra European Fellowship (IEF) LOTOCON (contract n. 301100).
    Low-toxicity copper chalcogeneide semiconductor nanocrystals
    Person in charge for IIT: V. Lesnyak. IIT Contribution: €185.763,60. Project start: June 15th 2012. Ended: June 14th 2014
  8. FP7 Marie Curie Actions Initial Training Networks (ITN) - Coordinated by Universitaet Regensburg.Mag(net)icFun (contract n. 290248)
    Functionalized Magnetic Nanoparticles and their Application in Chemistry and Biomedicine
    Person in charge for IIT: L. Manna and T. Pellegrino. IIT Contribution: €590.234. Project start: October 1st 2012. End: September 30th 2016
  9. CARIPLO 2012 NANOCRYSLAS (contract n. 2012-0824).
    Micro-laser based on rod-shaped self-assembling colloidal semiconductor nanocrystals
    Person in charge for IIT: R. Krahne. IIT Contribution: €74.000. Project start: March 1st 2013. End: February 28th 2015
  10. FP7 Collaborative Project FLAGSHIP GRAPHENE (contract n. 604391)
    Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    Person in charge for NACH dep.: L. Manna, R. Krahne and I. Moreels. NACH Contribution: €305.520. Project start: October 1st 2013. End: March 31st 2016
  11. AIRC Investigator Grant (contract n. IG 14527)
    Stimuli-Responsive Nanoparticles for eradicating different subsets of cancer cells within tumors
    Person in charge for IIT: T. Pellegrino. IIT Contribution: €180.000. Project start: January 2nd 2014. End: January 1st 2016
  12. FP7 ERC Consolidator Grant TRANS NANO (contract n. 614897).
    Advancing the Study of Chemical, Structural and Surface Transformations in Colloidal Nanocrystals
    Person in charge for IIT: L. Manna. IIT Contribution: €2.430.720. Project start: March 1st 2014. End: February 28th 2019
  13. CARIPLO 2013 - Coordinated by Istituto Nazionale Tumori (contract n. 2013 0865).
    Disease recurrence in epithelial ovarian cancer: deciphering miRNA-driven regulatory networks related to drug sensitivity/cellular plasticity and exploring nanomaterial-based targeted delivery of identified key molecules for therapeutic purposes
    Person in charge for IIT: T. Pellegrino. IIT Contribution: €90.000. Project start: May 1st 2014. Project end: April 30th 2017
  14. CARIPLO 2013 GREENS(contract n. 2013 0656).
    Green nanomaterials for next-generation photovoltaics
    Person in charge for NACH dep.: L. Manna. NACH Contribution: €140.000. Project start: June 1st 2014. End: May 31st 2016