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Anisotropies and non equilibrium in soft matter: routes to the self assembly of advanced materials

Il progetto di ricerca ANISOFT è uno sforzo congiunto sperimentale, teorico e computazionale nel campo della materia soffice, con lo scopo di individuare e studiare nuovi processi di self-assembly di costituenti elementari per creare materiali dalle proprietà innovative[1]. Il raggiungimento di tale obiettivo avverrà prevalentemente sfruttando percorsi fuori-equilibrio[2] e attraverso l'utilizzo di particelle con anisotropia di forma o di interazione[3].

Strategie di costruzione di materiali bottom-up, basate su una scelta giudiziosa delle macromolecole costituenti, sono fondamentali per le potenziali applicazioni nei campi più disparati, dalla biomedicina alle nanotecnologie, dalla cosmetica all'industria alimentare. Tali strategie imitano spesso quelle usate in Natura[4] per ottenere materiali migliori che aumentino la qualità della vita, il benessere e la salute dell'uomo e dell'ambiente.

Fino ad ora, la ricerca si è concentrata soprattutto su sistemi modello in cui le particelle considerate sono sferiche o interagiscono in maniera isotropa o mediante processi di equilibrio. Tuttavia moltissimi sistemi di interesse tecnologico e industriale presentano delle anisotropie o sono il risultato di processi fuori-equilibrio. Ad esempio, macromolecole non sferiche sono ampiamente utilizzate per la produzione di display ad alta definizione grazie alla loro capacità di organizzarsi in fase liquido cristallina; argille come la bentonite vengono utilizzate per la loro capacità di formare dei gel in svariate applicazioni, che vanno dalle lettiere dei gatti all'estrazione del petrolio; micelle wormlike sono utilizzate correntemente per ottenere detergenti e nell'industria cosmetica, in particolare negli shampoo.

Il motivo dell'apparente scarso interesse della ricerca di base per sistemi anisotropi è da ricercarsi soprattutto nella limitata disponibilità di sistemi modello sintetici di qualità sufficiente per effettuare esperimenti ripetibili ed accurati. Paradossalmente le lacune della sintesi chimica sono state spesso colmate ricorrendo a materiali anisotropi naturali quali fibre (actina, miosina,...), frammenti di acidi nucleici (DNA, RNA,...), virus a bastoncello (virus mosaico, batteriofago fd,...). Grazie al loro ricco comportamento di fase sono stati utilizzati in passato ad esempio per testare modelli teorici sui cristalli liquidi o per lo studio delle loro proprietà reologiche.

E' solo negli ultimi anni, grazie ai progressi della sintesi chimica, che la zoologia di particelle anisotrope sintetiche si è arricchita notevolmente, offrendo una vastissima gamma di mattoncini elementari e consentendo da un lato la progettazione e la costruzione di materiali del futuro[3] quali cristalli fotonici, metamateriali, cementi o prodotti cosmetici ad alta biocompatibilità; dall'altro la realizzazione di sistemi modello per la comprensione di importanti processi, tra cui l'aggregazione di proteine, responsabile di malattie come l'anemia falciforme o la più comune cataratta. Infine sembrano notevoli le possibilità offerte per il rilascio controllato di farmaci all'interno dell'organismo.

Il nostro scopo in questo progetto è dunque arricchire la conoscenza sul self-assembly nella materia soffice, sfruttando esplicitamente l'anisotropia delle particelle costituenti e i fenomeni di non-equilibrio, in modo da indirizzare la ricerca e le sue potenziali applicazioni in direzioni del tutto nuove e inesplorate.

Abbiamo scelto un approccio graduale, articolato su tre diverse linee di indagine con una stretta sinergia tra esperimenti, teoria e simulazioni. (1) MODALITÀ FUORI EQUILIBRIO DI FORMAZIONE DI GEL

In questa tematica sono raccolti alcuni studi relativi al comportamento dinamico di sistemi modello con diagramma di fase noto e che, attraverso opportuni salti in temperatura, formano delle fasi di gel dalle proprietà desiderate. Inoltre parte di questo studio è volta alla caratterizzazione delle proprietà dei processi di non-equilibrio dentro una separazione di fase arrestata[5].

2) DEPLETANTI ANISOTROPI: UNA NUOVA CLASSE DI POTENZIALI DI INTERAZIONE
In questo tema ci occuperemo di una nuova classe di sistemi in cui il depletante è di forma arbitraria. In particolare ci focalizzeremo sul ruolo giocato dall'anisotropia della forma sulle forze di svuotamento, sulle forze critiche di Casimir o su quelle generate da fenomeni di aggregazione quali percolazione o polimerizzazione.

3) COLLOIDI ANISOTROPI: FASI, STATI E APPLICAZIONI
Infine, un progetto di ampio respiro riguarda il comportamento di fase di particelle anisotrope, e in particolare la competizione tra fasi di equilibrio e fuori-equilibrio, come ad esempio gel e vetri isotropi e fasi nematiche. Lo studio verterà sulle particelle anisotrope sintetizzate ad-hoc per il progetto, e inizierà dai sistemi già disponibili quali sbarrette, nanoassemblati di DNA e colloidi patchy inversi di tipo reversibile.

Tali linee di ricerca sui sistemi verranno complementate da un workpackage più tecnico volto alla messa a punto di strumenti computazionali e sperimentali innovativi per affrontare un progetto ambizioso quale ANISOFT, che introduce un cambio di paradigma nel panorama della soft matter italiana e mondiale.

Il progetto verrà intrapreso da tre unità ben armonizzate in termini di capacità e competenze: un'unità con competenze teorico-numeriche avanzate e due unità sperimentali, da sempre all'avanguardia nella messa a punto di strumenti e tecniche per lo studio della materia soffice. I compiti delle unità si possono riassumere come segue:

1)l'unità CNR-ISC, coordinatrice del progetto, ha il compito d'indagare il comportamento di colloidi anisotropi e complessi in e fuori equilibrio con l'ausilio degli strumenti teorico-computazionali a sua disposizione e di sviluppare nuovi algoritmi e tecniche teoriche da applicarsi ai diversi sistemi colloidali oggetto di studio;

2)l'unità UNIMI effettuerà esperimenti su colloidi complessi ed anisotropi in e fuori equilibrio, affinando e applicando tecniche e metodologie già esistenti e sviluppandone di nuove. In particolare, si vogliono implementare tecniche per lo studio risolto nello spazio/tempo di dinamiche intermittenti ed eterogenee e per effettuare misure di reomicroscopia basata su particle tracking e su adattamenti della tecnica Differential Dynamic Microscopy;

3)l'unità POLIMI offrirà competenze nella sintesi e produzione di colloidi con anisotropia di forma e funzionalizzati. Inoltre effettuerà esperimenti su colloidi complessi ed anisotropi in e fuori equilibrio con innovative tecniche ottiche di correlazione risolte nello spazio/tempo e svilupperà un microscopio olografico per tracciamento 3D di particelle e per la ricostruzione della loro orientazione spaziale.

Le unità saranno coadiuvate da prestigiosi collaboratori internazionali nel campo della materia soffice e in particolar modo da (si vedano lettere di intenti allegate ai moduli B):
* Università di Harvard e ditta NVIDIA per implementare su GPU codici numerici per simulazioni e image-processing e per sviluppare nuovi metodi di microscopia confocale

* Università di Utrecht per la sintesi di particelle anisotrope e funzionalizzate ben caratterizzate e sullo studio dei relativi diagrammi di fase in microscopia confocale * Universita di Friburgo per la reologia di colloidi anisotropi e per lo studio risolto nello spazio e nel tempo di dinamiche intermittenti ed eterogenee
* Università di Montpellier per lo studio risolto nello spazio e nel tempo di dinamiche intermittenti ed eterogenee
* SISSA per lo studio teorico delle forze efficaci in presenza di depletanti anisotropi vicini al punto critico o alla transizione di percolazione.

[1] A. Travesset, Science 334, 183 (2011)
[2] P. A. Korevaar et al, Nature 481, 492 (2012)
[3] S. C. Glotzer, M. J. Solomon, Nat. Mater. 6, 557 (2007) [4] S. Lee and N. D. Spencer, Science 319, 575 (2008)
[5] P. J. Lu, E. Zaccarelli et al, Nature 453, 499 (200

Principal Investigators:
  • roberto CERBINO
Financing institution:
MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITA' E DELLA RICERCA
Type:
FIRB-FiR12 - FIRB bando Futuro in Ricerca 2012
Project leader:
CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE - CNR
Year:
2013
Duration:
36
Status:
CHIUSO
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