NanoQlab è un laboratorio di chimica quantistica dedicato allo studio di materiali nanostrutturati per la salute, l’energia e l’ambiente tramite calcoli di struttura elettronica e simulazioni di dinamica molecolare.

Materiali nanostrutturati emergenti (nanosfere, nanotubi, film sottili) basati su ossidi metallici semiconduttori, con proprietà fotocatalitiche o magnetiche, stanno aprendo orizzonti completamente nuovi nella nanomedicina (ad es. nuove terapie fotodinamiche, nuove classi di agenti di contrasto, somministrazione di farmaci guidata magneticamente). Le nostre ricerche si focalizzano sulle proprietà dipendenti dalla forma e dalla dimensione dei sistemi nanodimensionati, sulla selezione di sistemi molecolari interessanti per l’ancoraggio alle superfici e per il legame di biomolecole. A seconda della funzionalità desiderata, vari tipi di biomolecole (da oligopeptidi e oligonucleotidi a piccoli farmaci) vengono legati alla superficie attivata. I sistemi bioinorganici cosi assemblati possono essere ulteriormente etichettati con marcatori fluorescenti e agenti di contrasto.

Sulla base di calcoli di struttura elettronica progettiamo nuovi materiali elettrodici, per dispositivi elettrochimici e celle a combustibile, che sono efficienti quanto o persino di più dei costosi ed inquinanti elettrodi metallici. Le energie libere di reazione di Gibbs sono calcolate in soluzione acquosa per tutti gli stadi di riduzione (al catodo) o di ossidazione (all’anodo), come, ad esempio per la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) o nella reazione di ossidazione del metanolo (MOR). Dettagli del meccanismo di reazione e accurati valori dei potenziali di onset o di sovratensione possono essere derivati dai diagrammi di energie libere di Gibbs. Questi potenziali sono grandezze computazionali che possono essere direttamente confrontate con i valori di sovratensione misurati sperimentalmente per celle reali. 

La catalisi “sotto coperta” è un recente ed emergente campo di ricerca (consultare la Review di X. Bao et al. in Nature Nanotech. 2016, 11, 218), che si focalizza sulla reattività chimica che ha luogo nello spazio confinato tra due materiali interfacciati. Tipicamente, almeno uno dei due materiali è 2D, ad es. grafene, h-BN o MoS2. Attualmente in letteratura sono riportati diversi esempi di incremento di reattività, in cui il processo chimico è favorito se si svolge tra le due superfici esposte. Si sa ancora poco sul meccanismo di questo particolare tipo di catalisi e sul vero ruolo giocato dalle due superfici. L'effetto di confinamento nello spazio è una ragione sufficiente per l'aumento della velocità di reazione o gli atomi di superficie sono effettivamente coinvolti nei vari passaggi della reazione? Sono i difetti e le impurità anch’essi attivi nella promozione delle reazioni chimiche?

Abbinando calcoli, basati sulla teoria del funzionale della densità, con la microscopia a scansione a effetto tunnel e tecniche spettroscopiche a raggi X (eseguita dai nostri collaboratori sperimentali) studiamo nuovi approcci per la sintesi assistita da superfici di nanostrutture a base grafenica (nanonastri, nanobolle, ecc.) mediante polimerizzazione via accoppiamento di Ullmann e reazioni di deidrogenazione di molecole poliaromatiche.

Prof.ssa Cristiana Di Valentin
Dott. Daniele Perilli
Dott. Paulo Siani

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