Dispositivi, Macchine e Materiali Molecolari e Supramolecolari

Prof. Alberto Credi

Temi di ricerca

1. Macchine e motori molecolari artificiali

Questa linea di ricerca riguarda la progettazione, la sintesi e lo studio di sistemi multicomponente (nella maggior parte dei casi rotassani, catenani e specie correlate) capaci di compiere movimenti meccanici dei loro componenti molecolari in risposta a stimoli esterni (aggiunta di reagenti chimici, applicazione di potenziali elettrici, irradiazione luminosa). Gli studi si riferiscono in particolare all'utilizzo della luce come fonte di energia, e alla possibilità di sviluppare sistemi che siano in grado di funzionare in maniera autonoma lontano dall'equilibrio dissipando l'input energetico esterno. L'obiettivo è quello di costruire nanodispositivi meccanici in grado di compiere funzioni utili, come il controllo della permeabilità di membrane, la cattura ed il rilascio di altre molecole, fino all'attuazione meccanica su scala micro- e macroscopica (muscoli molecolari) e alla conversione dell'energia solare (utilizzo della luce per creare gradienti di concentrazione mediante pompe molecolari).

2. Sistemi molecolari e supramolecolari per l'elaborazione di informazioni

Questa linea di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di sistemi chimici in grado di raccogliere, elaborare ed immagazzinare informazioni, e si colloca nell'approccio “dal basso” al problema della miniaturizzazione. Ci si aspetta che tale approccio, con il quale è possibile costruire dispositivi di dimensioni nanometriche, non raggiungibili con l'attuale tecnologia “dall'alto”, permetta non solo di ridurre le dimensioni e di aumentare le prestazioni dei calcolatori, ma anche di aprire la strada a nuove tecnologie capaci di rivoluzionare la medicina, di produrre una grande varietà di nuovi materiali, di fornire nuove risorse energetiche e di risolvere il problema dell'inquinamento ambientale. Fra i sistemi esaminati vi sono interruttori, fili, prese/spine, prolunghe, memorie e circuiti logici molecolari.

3. Sintesi e studio delle proprietà fotofisiche, fotochimiche ed elettrochimiche di specie molecolari complesse, nanoparticelle e materiali

Questa linea di ricerca ha l'obiettivo di aumentare le conoscenze di base sulle proprietà chimico-fisiche di molecole, supermolecole, nanoparticelle e materiali. Fra gli argomenti studiati vi sono: aspetti termodinamici e cinetici nelle reazioni di autoassemblaggio di sistemi host-guest, reazioni di fotoisomerizzazione in specie di tipo azobenzenico, fotocromismo allo stato solido, proprietà fotofisiche e redox di molecole organiche e complessi metallici, proprietà fotocatalitiche, proprietà fotofisiche e redox di nanoparticelle inorganiche e loro interazioni con specie molecolari, controllo di proprietà chimico-fisiche di materiali fotoreattivi mediante la luce.

Obiettivi

Le linee di ricerca sono rivolte alla progettazione e alla realizzazione di specie supramolecolari in grado di svolgere funzioni utili predeterminate. Questi studi sono di importanza fondamentale nei campi delle nanoscienze e delle nanotecnologie, attualmente in forte espansione, in relazione all'approccio "dal basso" per la realizzazione di strutture funzionali di dimensioni nanometriche. Gli obiettivi delle linee di ricerca presentate sono i seguenti:

1. Ideare e caratterizzare specie supramolecolari nelle quali alcuni componenti molecolari possono essere messi in movimento rispetto agli altri mediante opportuni stimoli esterni. Congegni di questo tipo, attorno ai quali vi è attualmente un forte interesse, sono noti come macchine molecolari. Gli stimoli impiegati per azionare tali macchine molecolari sono di tipo luminoso, chimico o elettrochimico. Le supermolecole più interessanti a questo proposito sono pseudorotassani, rotassani, catenani, sistemi host-guest, dendrimeri.
2. Ideare e studiare sistemi molecolari e supramolecolari in grado di fornire segnali di “output” in risposta a specifici segnali di “input”, così da imitare le funzioni della logica binaria eseguite nei circuiti elettronici. Fra i sistemi adatti a questo scopo vi sono complessi host/guest, rotassani, dendrimeri, complessi metallici, sistemi fotocromici ed elettrocromici, sistemi molecolari multistato/multifunzionali.
3. Progettare e realizzare specie supramolecolari in grado di raccogliere, trasmettere, immagazzinare ed elaborare segnali. Fra sistemi del genere vi sono antenne, fili, congegni presa/spina, sistemi di tipo "prolunga", congegni per la separazione di carica, sistemi multistato/multifunzione. Tali studi sono di importanza basilare verso la costruzione di dispositivi per la conversione dell'energia solare in energia chimica, nonché di congegni ultraminiaturizzati per l'elaborazione delle informazioni (computer chimici). Come specie chimiche adatte a questo scopo si possono individuare dendrimeri, sistemi host-guest, rotassani, complessi metallici polinucleari, sistemi fotocromici. Obiettivo comune alle linee presentate è quello di passare, ove possibile, dallo studio in soluzione alla caratterizzazione dei sistemi sviluppati su superfici, nel tentativo di realizzare un "interfacciamento" tra il mondo delle molecole e quello macroscopico. Tale aspetto può essere esplorato attraverso il fissaggio delle specie supramolecolari studiate su nanoparticelle o su superfici solide (ad esempio mediante la preparazione di monostrati autoassemblati o di film di Langmuir-Blodgett).

Attività

Le attività sperimentali del gruppo si svolgono nel Center for Light Activated Nanostructures (Clan), un laboratorio congiunto dell’Università di Bologna e del Consiglio Nazionale delle Ricerche, con sede presso l’Istituto ISOF nell’area della ricerca del Cnr di Bologna. Il laboratorio è dotato di attrezzature allo stato dell’arte per la sintesi e la caratterizzazione spettroscopica di specie molecolari, supramolecolari e nanostrutturate. I metodi più ampiamente utilizzati per la caratterizzazione dei composti, dei loro componenti e di specie modello sono principalmente tecniche spettroscopiche di risonanza magnetica e di assorbimento e di luminescenza UV-visibile-NIR. Viene inoltre fatto uso di tecniche spettroscopiche risolte nel tempo (laser flash photolysis, shift di fase/modulazione, conteggio di fotone singolo, metodi stopped-flow), allo scopo di investigare le dinamiche dei processi indotti mediante stimolazione fotonica, elettrochimica o chimica. A queste misure si aggiungono esperimenti di voltammetria e di spettroelettrochimica, sia con elettrodi convenzionali che, se necessario, con ultramicroelettrodi. Tali misure possono essere accompagnate da simulazioni al calcolatore dei dati sperimentali (curve voltammetriche, dati cinetici, titolazioni, ecc.) allo scopo di risalire al meccanismo ed ai parametri rilevanti dei processi in esame.

Il gruppo partecipa a numerosi programmi di ricerca europei (ERC AdG, FET, ITN) e nazionali (FARE, PRIN).

Siti web

http://www.credi-group.it

https://centri.unibo.it/clan/en

Settori ERC

Responsabile scientifico/coordinatore: Prof. Alberto Credi

Membri del gruppo

• Prof. ssa Serena Silvi (CHIM)
• Prof. Massimo Baroncini (DISTAL)

Altri membri

• Massimiliano Curcio (Assegnista);
• Stefano Corrà (Assegnista);
• Marina Tranfic-Bakic (Assegnista);
• Jessica Groppi (Assegnista CNR);
• Martina Canton (Dottoranda);
• Erica Paltrinieri (Dottoranda);
• Federico Nicoli (Dottorando);
• Leonardo Andreoni (Dottorando);
• Chiara Taticchi (Dottoranda)

Collaborazioni nazionali e internazionali

Nazionali: Prof. Marco Lucarini (CHIM, Unibo), Prof. Arturo Arduini (Università di Parma), Prof. Angiolina Comotti (Università di Milano-Bicocca), Prof. Antonella Fontana (Università di Chieti), Dott. Barbara Ventura, Dott. Andrea Candini (ISOF-CNR Bologna), Dott. Massimiliano Cavallini (ISMN-CNR Bologna), Prof. Cristiano Zonta (Università di Padova).

Internazionali: Prof. Ivan Aprahamian (Dartmouth College, USA), Prof. Benoit Colasson (Université de Paris Descartes, Francia), Prof. Leonhard Grill (University of Graz, Austria), Prof. Steve Loeb (University of Windsor, Canada), Prof. Nathan McClenaghan (Université de Bordeaux, Francia), Prof. Françisco Raymo (University of Miami, USA).