Chimica fisica dei materiali

Gruppo di ricerca

Alvise Benedetti, Professore ordinario
Pietro Riello, Professore ordinario
Stefano Polizzi, Professore associato
Patrizia Canton, Professore associato
Davide Cristofori, Tecnico amministrativo
Tiziano Finotto, Tecnico amministrativo
Gloria Zaccariello, Assegnista
Elisa Casagrande, Dottorando
Anna Del Tedesco, Dottorando
Khohinur Hossain, Dottorando
Riccardo Marin, Dottorando
Enrico Pontoglio, Dottorando
Emanuele Verga Falzacappa, Dottorando

Collaborazioni 

Arcadia Ricerche Srl
Centro di Ricerca Oncologico CRO, Aviano
Dept. of Condensed Matter Physics, Univ. de Sevilla, Spain
Dept. of Inorganic Chemistry Vilnius University, Lithuania
Dipartimento di Biotecnologie, Università di Verona
Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova
Elettra, Sincrotrone Trieste
INRS, Varennes-Montreal, Canada
ISTEC, Institute of Science and Technology for Ceramics, Faenza, Ravenna, Italy
Istituto Ospedaliero Rizzoli, Bologna
Kyoto Institute of Technology, Giappone
Kyoto University, Giappone
Pometon S.p.A
Stazione Sperimentale del Vetro
Stevanato Group, Piombino Dese, Padova
Università di Trieste
Università Milano Bicocca

Temi di ricerca

Nanofosfori

Il progetto è incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di nano fosfori per applicazioni come sistemi di illuminazione, per monitor e  per imaging in campo terapeutico.  La ricerca mira a sviluppare ossidi di nanoparticelle (ad es. Y2O3, ZrO2, Bi2O3, Al2O3, CeO2 o ossidi misti) drogati con ioni lantanidi per applicazioni ottiche e alla modelizzazione dei meccanismi ottici coinvolti (ad es. trasferimento di energia tramite up- e down-conversion). L’inserimento di questi sistemi in opportune matrici come particelle di silice mesoporosa può consentire di usare queste particelle come veicoli (carrier) per sistemi di imaging nella nano medicina. Inoltre, queste particelle funzionano bene come sensitizzatori nella terapia fotodinamica in combinazione con la generazione di molecole ROS (reactive oxygen species).


Sistemi teranostici basati su quantum dots non tossici

Quantum dots di CIS (Copper Indium Sulfide) si sono dimostrati una valida alternativa ai quantum dots di alta qualità presenti sul mercato a base di cadmio, selenio, piombo e altri elementi relativamente tossici. Grazie alla loro intrinseca assenza di tossicità, i quantum dots di CIS rivestono interesse nelle applicazioni biomediche. Inoltre, esibiscono assorbimenti e emissioni ottiche che possono essere aggiustate in modo da cadere nella cosiddetta finestra terapeutica (tra 650 e 1300 nm), caratteristica che risulta utile nei casi in cui l’imaging ottico è previsto come metodo di diagnosi. L’inclusione di questi quantum dots all’interno di un guscio di silice tramite un metodo sol-gel, che  avvengono tramite l’idrolisi e la condensazione di precursori organici di SiO2 (metodo di Stöber), è in grado di conferire biocompatibilità e stabilità ai nanocristalli. Inoltre, la superficie della silica offre la possibilità di ulteriori funzionalizzazioni, usando una varietà di componenti come PEG e piccoli peptidi. Queste molecole forniscono alle nanoparticelle rispettivamente proprietà di invisibilità rispetto al sistema immunitario (stealthing) e capacità di funzionare come target attivi (riconoscimento selettivo delle celle cancerose). Il guscio di silice può anche venir sintetizzato come materiale mesoporoso rendendo possibile un ulteriore impregnazione di farmaci o piccole molecole all’interno dei pori, come agenti di contrasto per diversi metodi diagnostici. In aggiunta è possibile attaccare in prossimità dei pori molecole che siano in grado di rispondere a stimoli esterni (p.es. cambiamenti di pH o di temperatura). In questo modo si costruiscono delle nanovavole che permettono il controllo selettivo del rilascio dei farmaci caricati all’interno dei pori nei pressi del tessuto malato.


Nanoparticelle di silice modificate

Si stanno sviluppando modificazioni superficiali di natura chimico-fisica di nanoparticelle di silice, con lo scopo di fornirle di precise proprietà come: controllo della carica, stabilità colloidale in vari mezzi, capacità di funzionare come target attivi in nanomedicina e di invisibilità al sistema immunitario (stealthing). L’idea di base è quella di usare semplici gruppi funzionali (p.es. ammine, tioli, carbossili), che possano venire attaccati alla superficie delle particelle, oppure effettuare una bio-coniugazione di molecole più sofisticate (metaboliti e piccoli peptidi) o proteine (ad es. GFP, BSA, tripsina e emoglobina). Un’altra meta di questa ricerca è di creare un sistema stabile e riproducibile che sia invisibile al sistema immunitario, in modo da evitare una eliminazione prematura della nano particella quando introdotta nell’organismo. Ci si aspetta che la combinazione di queste modificazioni superficiali possa dar luogo a sistemi utilizzabili per scopi biomedici e per test in vitro.

Lo studio delle proprietà superficiali dei sistemi così prodotti viene fatto mediante elettroforesi, Dynamic Light Scattering (DLS), spettroscopia UV-Visibile, spettroscopia IR e Raman , Solid State Nuclear Magnetic Resonance (SS-NMR). L’interazione delle nanoparticelle modificate in ambiente biologico viene studiata attraverso l’analisi della dissoluzione delle particelle in corpi fluidi simulati, citotossicità in diverse linee cellulari, emolisi a assorbimento di proteine.


Materiali ceramici avanzati 1

I materiali ceramici a base di zirconia sono interessanti per molte applicazioni grazie alle loro buone proprietà meccaniche, termiche, funzionali e di resistenza all’usura. Gli impieghi più comuni di questi materiali sono come rivestimenti a barriera termica, protesi dentali e ossee, laminati ad alta resistenza, celle a combustibile solide, sensori di gas, dispositivi ottici e sistemi catalitici. Tuttavia, è stata finora posta poca attenzione alle loro proprietà quando vengono prodotti con dimensioni nanometriche.

In generale materiali e nanomateriali ossidi mesoporosi, come la silica, sono interessanti per la loro alta area superficiale. Inoltre, la zirconia mesoporosa possiede molte proprietà di interesse, come attività e selettività catalitica,  miglior stabilità chimica di allumina e silice, proprietà anfoteriche e redox.

Con l’eccezione della silica, la sintesi di materiali ossidi mesoporosi via sol-gel non è agevole. Le strategie finora presentate comportano l’uso di tensioattivi o co-polimeri come agenti che ne indirizzano la crescita (soft-template), oppure l’uso di un materiale inorganico che funzioni da impalcatura (scaffold) per la crescita (hard-template). Il problema principale di questi approcci risiede nella sensibilità all’umiditàe nella rapida cinetica di idrolizzazione dgli alcossidi di zirconio (Zr(OR)4). Inoltre, il processo di calcinazione necessario per rimuovere il template determina la cristallizzazione del materiale, e quindi la perdita della struttura porosa. Le procedure di scaffolding sono lente e i materiali finali sono solitamente disomogenei.

Lo scopo di questa ricerca è di produrre zirconia nanometrica con alta area superficiale attraverso una via sol-gel semplice utilizzando entrambe le strategie sopra descritte. compresa l’impregnazione con ossidi attivi (ossidi di cerio e rame).


Materiali ceramici avanzati 2

La cosiddetta transizione martensitica della zirconia dalla fase tetragonale a quella monoclina, è un processo interessante subordinato alla presenza di vacanze di ossigeno all’interno del reticolo cristallino. Questo meccanismo è coinvolto nel cosiddetto “transformation toughening process” che rende la riconia così resistente all’usura. L’introduzione di diversi cationi droganti polivalenti, come Y3+ e Ta+5,  porta con sé la modifica del contenuto di ossigeno nella matrice. Si sta quindi studiando l’effetto dell’introduzione di questi ioni nella matrice ceramica, allo scopo di riuscire a stabilizzare fasi particolari che posseggano proprietà migliorate in termini di stabilità di fase e di proprietà meccaniche.


Materiali multifunzionali a base di Bi2O3

Il progetto mira a sintetizzare materiali a base di Bi2O3 per applicazioni ottiche e foto catalitiche. L’interesse maggiore riguarda l’ottimizzazione dei processi sintetici di realizzazione di sistemi a bassa dimensionalità (micro e nano-particelle, film sottili e nanopolveri) allo scopo di manipolarne le dimensioni, la morfologia e la struttura cristallina.  Oltre ai tradizionali metodi sol-gel alla Pechini, il metodo dei polioli, ai processi idrotermali e alle sintesi core-shell uno delle linee di ricerca princpale è rivolto alla sintesi verde. Per aumentarne le proprietà ottiche e foto catalitiche le matrici di ossido di bismuto verranno caricate con ioni metallici (ad es. Ta, Zn, Ga, In, Ni, Cu, Ag) e ioni lantanidi come droganti o per sintetizzare etero strutture di ossidi.


Strumentazione

Microscopio Elettronico a Trasmissione

Descrizione

Il TEM (Microscopio Elettronico a Trasmissione) viene usato per identificare le caratteristiche di vari aspetti della struttura dei  nanomateriali.  I nanomateriali sono sostanze di  varia natura la cui struttura ha grandezze comprese fra 1 e 100 nm circa, per almeno una delle dimensioni.  L'identificazione delle caratteristiche, cioè la caratterizzazione, si esplica, innanzitutto, attraverso  la restituzione di immagini della morfologia riferita alle diverse sottostrutture presenti nel materiale.
Il TEM, inoltre, offre la possibilità di determinare i tipi di atomi presenti in una regione di dimensioni nanometriche, il che consente di identificare la natura delle sottostrutture del materiale.
Il nostro TEM, inoltre, è ottimizzato per lavorare in condizioni di alta risoluzione, consentendoci di ottenere, nel caso di materiali cristallini, immagini di piani e colonne atomici che costituiscono il campione: dunque informazioni localizzate sulla posizione degli atomi all'interno del materiale cristallino.
Le tecniche di diffrazione elettronica  consentono di acquisire informazioni sulla struttura cristallina,  non attraverso un'immagine della regione di campione considerata, ma grazie a un diffrattogramma che racchiude informazioni sull'ordine e la disposizione relativa degli atomi all'interno del materiale.