Il ciclo di seminari “Breakthroughs in Materials Science”, organizzato dal Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano – Bicocca, raccoglie interventi da parte scienziati di fama internazionale, i cui recenti studi hanno promosso una profonda evoluzione nel campo della Scienza dei Materiali. Presentati con un carattere divulgativo, i seminari sono rivolti a docenti, studenti e ad un vasto pubblico di persone interessate a temi scientifici. Oltre alla partecipazione in presenza, sarà reso disponibile il collegamento in streaming.

Nel 2025 sono previsti i seguenti interventi:

• 7 Aprile: Hiroshi Amano - Role of New Semiconductor Materials in Realizing Net Zero Carbon and Smart Society
• 16 Maggio: Georg Kresse - Machine learning and beyond DFT methods: quantitative materials modeling at your fingertips
• 16 Giugno: Omar Yaghi - Reticular Chemistry, Climate, AI  - CANCELED
• 18 Giugno: Stefan Kaskel - Responsive Porous Frameworks: Serendipity or Rational Design?
• 24 Settembre: Silvia Picozzi - Spins and electric dipoles: modelling and microscopic understanding
• 2 Dicembre: Bernard Feringa - Smart Materials, from molecular switches to motors

L’Assicurazione della Qualità (AQ) è il processo con cui gli atenei realizzano obiettivi di miglioramento attraverso il continuo monitoraggio e auto-valutazione dell’Offerta Formativa, della Ricerca e Terza missione/Impatto Sociale.

Sulla base delle differenti funzioni e competenze, l’Ateneo ha messo in atto un Sistema di Assicurazione  della Qualità (SAQ) sia nell’ambito della Didattica che dell’attività di Ricerca e Terza Missione/Impatto Sociale, al fine di promuovere un’osservazione nel tempo dei risultati ottenuti, rilevare criticità e attuare interventi correttivi sulla base degli strumenti previsti dal sistema AVA (Autovalutazione, accreditamento e valutazione del sistema universitario italiano).

Il funzionamento del SAQ di Ateneo è descritto dettagliatamente nella sezione dedicata del portale d'Ateneo e in particolare nel documento "Il Sistema di Assicurazione della Qualità dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca”.

Il Consiglio di Dipartimento, al fine di costruire una struttura coerente con quella di Ateneo, nomina un Assicuratore di Qualità per ciascuno dei seguenti ambiti: 

• Didattica: Prof. Sergio Tosoni 
• Ricerca: Prof. Roberto Lorenzi
• Terza Missione/Impatto Sociale: Prof. Francesco Meinardi
• Dottorato di Ricerca: Prof.ssa Cristiana Di Valentin 

Gli Assicuratori di Qualità di Didattica, Ricerca e Terza Missione/Impatto Sociale sono coadiuvati dai rispettivi gruppi dipartimentali e riferiscono in Consiglio di Dipartimento garantendo il flusso comunicativo in merito al processo di AQ.

In ottemperanza alle disposizioni normative vigenti, l’Ateneo effettua la rilevazione dei dati statistici utili a comprendere il livello di utilizzo del presente sito web e pubblica su internet le informazioni, aggregate e anonimizzate, da essa derivanti.

The development of earth-abundant, non-precious catalysts is essential to the deployment of proton exchange membrane fuel cells and electrolyzers, which are essential components for decarbonizing the production and utilization of chemicals and fuels, including hydrogen and ammonia. Among the electrocatalysts for such applications, transition metal nitrides have emerged as promising and cost-effective materials. However, metal nitrides are affected by dissolution in acid resulting in material degradation, hindering their use in applications. In this study, by combining experimental characterizations and DFT calculations we elucidate the fundamental properties of transition metal nitrides governing their stability in acid and provide a key mechanistic understanding for metal nitrides dissolution and resulting ammonia formation. More importantly, these results provide guiding principles for designing and optimizing novel nitride chemistries for clean energy applications.

Jiayu Peng, Juan J. Giner-Sanz, Livia Giordano, William P. Mounfield III, Graham M. Leverick, Yang Yu, Yuriy Román-Leshkov, Yang Shao-Horn, Design principles for transition metal nitride stability and ammonia generation in acid, JOULE 7, 150-157 (2023).

Natural and anthropogenic gas radionuclides such as radon, xenon, hydrogen and krypton isotopes must
be monitored to be managed as pathogenic agents, radioactive diagnostic agents or nuclear activity indicators. State-of-the-art detectors based on liquid scintillators suffer from laborious preparation and
limited solubility for gases, which affect the accuracy of the measurements. The actual challenge is to find
solid scintillating materials simultaneously capable of concentrating radioactive gases and efficiently producing visible light revealed with high sensitivity. The high porosity, combined with the use of scintillating
building blocks in metal–organic frameworks (MOFs), offers the possibility to satisfy these requisites. We
demonstrate the capability of a hafnium-based MOF incorporating dicarboxy-9,10-diphenylanthracene as a scintillating conjugated ligand to detect gas radionuclides. Metal–organic frameworks show fast scintillation, a fluorescence yield of ∼40%, and accessible porosity suitable for hosting noble gas atoms and ions. Adsorption and detection of ⁸⁵Kr, ²²²Rn and ³H radionuclides are explored through a newly developed device that is based on a time coincidence technique. Metal–organic framework crystalline powder demonstrated an improved sensitivity, showing a linear response down to a radioactivity value below 1 kBq m⁻³ for ⁸⁵Kr, which outperforms commercial devices. These results support the possible use of scintillating porous MOFs to fabricate sensitive detectors of natural and anthropogenic radionuclides.

Matteo Orfano, Jacopo Perego, Francesca Cova, Charl X. Bezuidenhout, Sergio Piva, Christophe Dujardin, Benoit Sabot, Sylvie Pierre, Pavlo Mai, Christophe Daniel, Silvia Bracco, Anna Vedda, Angiolina Comotti, Angelo Monguzzi, Efficient radioactive gas detection by scintillating porous metal–organic frameworks, NATURE PHOTONICS 17, 672–678 (2023). 

In the last 20 years, direct alcohol fuel cells (DAFCs) have been the subject of tremendous research efforts
for the potential application as on-demand power sources. Two leading technologies respectively based
on proton exchange membranes (PEMs) and anion exchange membranes (AEMs) have emerged: the first
one operating in an acidic environment and conducting protons; the second one operating in alkaline electrolytes and conducting hydroxyl ions. In this review, we present an analysis of the state-of-the-art acidic and
alkaline DAFCs fed with methanol and ethanol with the purpose to support a comparative analysis of acidic
and alkaline systems, which is missing in the current literature. A special focus is placed on the effect of the
reaction stoichiometry in acidic and alkaline systems. Particularly, we point out that, in alkaline systems,
OH− participates stoichiometrically to reactions, and that alcohol oxidation products are anions. This aspect
must be considered when designing the fuel and when making an energy evaluation from a whole system
perspective.

Enrico Berretti, Luigi Osmieri, Vincenzo Baglio, Hamish A. Miller, Jonathan Filippi, Francesco Vizza, Monica Santamaria, Stefania Specchia, Carlo Santoro, Alessandro Lavacchi, Direct alcohol fuel cells: a comparative review of acidic and alkaline systems, ELECTROCHEM. ENERGY REV. 6, 30 (2023).

Due to their superior mechanical properties, 2D materials have gained interest as active layers in flexible devices co-integrating electronic, photonic, and straintronic functions altogether. To this end, 2D bendable membranes compatible with the technological process standards and endowed with large-scale uniformity are highly desired. Here, it is reported on the realization of bendable membranes based on silicene layers (the 2D form of silicon) by means of a process in which the layers are fully detached from the native substrate and transferred onto arbitrary flexible substrates. The application of macroscopic mechanical deformations induces a strain-responsive behavior in the Raman spectrum of silicene. It is also shown that the membranes under elastic tension relaxation are prone to form microscale wrinkles displaying a local generation of strain in the silicene layer consistent with that observed under macroscopic mechanical deformation. Optothermal Raman spectroscopy measurements reveal a curvature-dependent heat dispersion in silicene wrinkles. Finally, as compelling evidence of the technological potential of the silicene membranes, it is demonstrated that they can be readily introduced into a lithographic process flow resulting in the definition of flexible device-ready architectures, a piezoresistor, and thus paving the way to a viable advance in a fully silicon-compatible technology framework.

Christian Martella, Chiara Massetti, Daya Sagar Dhungana, Emiliano Bonera, Carlo Grazianetti, Alessandro Molle, Bendable silicene membranes, ADVANCED MATERIALS 35, 2211419 (2023).

Electronic structure calculations represent an essential complement of experiments to characterize single-atom catalysts (SACs), consisting of isolated metal atoms stabilized on a support, but also to predict new catalysts. However, simulating SACs with quantum chemistry approaches is not as simple as often assumed. In this work, the essential factors that characterize a reliable simulation of SACs activity are examined. The Perspective focuses on the importance of precise atomistic characterization of the active site, since even small changes in the metal atom's surroundings can result in large changes in reactivity. The dynamical behavior and stability of SACs under working conditions, as well as the importance of adopting appropriate methods to solve the Schrödinger equation for a quantitative evaluation of reaction energies are addressed.

The Perspective also focuses on the relevance of the model adopted. For electrocatalysis this must include the effects of the solvent, the presence of electrolytes, the pH, and the external potential. Finally, it is discussed how the similarities between SACs and coordination compounds may result in reaction intermediates that usually are not observed on metal electrodes. When these aspects are not adequately considered, the predictive power of electronic structure calculations is quite limited.

Giovanni Di Liberto, Gianfranco Pacchioni, Modeling single-atom catalysis, ADVANCED MATERIALS 35, 2307150 (2023).

Responsabile Scientifico: Prof. N. Manfredi
Ubicazione: Locale 2036b, Piano 2, Edificio U5

Il laboratorio ORACLE, dedicato alla sintesi di molecole organiche, si trova al secondo piano dell’edificio U5, stanza 2036b. Qui si progettano e analizzano materiali molecolari fotocromici innovativi per celle fotovoltaiche di nuova generazione e materiali organici conduttivi destinati a sensori biomedicali funzionalizzati per la crescita cellulare. Parallelamente a queste attività si sviluppano molecole organiche destinate alla fotoproduzione di combustibili solari, sfruttando fonti rinnovabili e abbondanti quali luce solare, acqua, anidride carbonica e valorizzando inquinanti come reagenti sacrificali per la generazione di idrogeno foto(elettro)catalitica. ORACLE collabora strettamente con il laboratorio MIB-SOLAR (edificio U5, piano terra), dove vengono realizzati e analizzati dispositivi solari basati sui materiali sintetizzati, e con laboratori specializzati nella caratterizzazione chimica (NMR, spettroscopia di assorbimento ed emissione, microscopia avanzata, spettrometria di massa, HPLC, ecc.). ORACLE è completamente attrezzato per la sintesi di molecole organiche di diversa tipologia, che vengono poi analizzate con diverse tecniche di caratterizzazione.

Lo sviluppo di materiali organici conduttivi e fotoattivi è essenziale per avanzare nel campo dell’energia sostenibile. Nelle celle solari, questi materiali permettono la realizzazione di dispositivi flessibili, leggeri e adattabili, ideali per l’integrazione con elettronica portatile e tecnologie IoT, rendendo possibile l’alimentazione autonoma di sensori e dispositivi smart. Nei biosensori, garantiscono elevata sensibilità e biocompatibilità per il monitoraggio medico avanzato. In fotocatalisi, permettono la produzione di combustibili solari, come idrogeno e metano, sfruttando fonti rinnovabili come luce solare, acqua e CO₂. La loro sintesi e caratterizzazione aprono nuove prospettive per tecnologie energetiche pulite, contribuendo alla transizione verso un futuro più sostenibile e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili.

Le principali attività di ricerca svolte nel gruppo riguardano la progettazione di materiali molecolari in grado di esprimere proprietà conduttive. L’interesse è principalmente rivolto allo sviluppo di materiali molecolari cercando di mantenere le procedure sintetiche semplici e puntando nella direzione di ridurre l’impatto ambientale della sintesi riducendo l’uso di materiali di partenza (solventi e reagenti) particolarmente inquinanti e riducendo gli step sintetici. L’approccio molecolare permette un controllo elevato sulla purezza e sulle proprietà dei materiali stessi. Inoltre, andando a modificare la funzionalizzazione di questi materiali molecolari è possibile modificarne le caratteristiche e permettere differenti interazioni superficiali con ambienti organici o acquosi permettendone l’utilizzo in differenti dispositivi: celle solari a stato solido o biosensori.

Nel campo dei materiali fotoattivi vengono sviluppati materiali molecolari organici in grado di interagire con la luce. La classe di materiali fotoattivi sviluppati principalmente sono i coloranti fotocromici che vengono utilizzati per speciali celle solari sensibilizzate a colorante da applicare come smart-windows o smart-glasses. In questa applicazione la scelta del colore nelle due forme è particolarmente delicata e impone un importante studio a livello di design molecolare. Questi materiali possono anche agire da fotosensibilizzatori in processi foto(elettro)catalitici per la produzione di combustibili solari da acque reflue.

Prof. Norberto Manfredi

ORACLE Lab – Edificio U5, Piano 2, locale 2036b
Laboratorio MIBSOLAR – Edificio U5, Piano Terra, locale T057-T067

• Laboratori di sintesi e caratterizzazione organica completamente attrezzati.
• Laboratori in camera bianca (MIB-SOLAR e FLEXILAB) per la preparazione e caratterizzazione di dispositivi fotocatalitici e fotoelettrochimici per la fotosintesi artificiale e il fotovoltaico.