Modelling predittivo delle funzionalità in sistemi nanostrutturati di interesse biologico e tecnologico

Responsabile: Filippo De Angelis
Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari (ISTM) Perugia

Obiettivi del progetto

Le motivazioni per l’avvio di un nuovo progetto in questo settore derivano dal fatto che la modellistica molecolare e la simulazione al calcolatore sono diventate sempre più essenziali per :
· comprendere a livello molecolare le proprietà di materiali;
· guidare la sintesi di nuovi prodotti e materiali attraverso la progettazione molecolare;
· progettare e ottimizzare nanosistemi per una varietà di applicazioni che spaziano dall’elettronica alla catalisi, allo sviluppo di materiali e biomateriali con caratteristiche specifiche;
Naturalmente, l'intero progetto è facilitato dalla crescita esponenziale che si è avuta in questi ultimi anni nelle potenzialità di calcolo offerte dagli odierni elaboratori, affiancata dai notevoli sviluppi nelle metodologie teoriche e negli algoritmi, Il controllo completo delle proprietà del prodotto finale e la creazione e il design di nuovi prodotti che rispondano a delle richieste specifiche può essere ottenuto solo comprendendo come le proprietà molecolari e mesoscopiche influenzino il comportamento macroscopico. La meccanica quantistica fornisce i mezzi per comprendere e prevedere le interazioni che si hanno a livello atomico e molecolare in un sistema chimico, mentre i metodi della meccanica statistica usano queste informazioni come input per comprendere il comportamento mesoscopico e macroscopico. Questi metodi sono noti da oltre cinquant’anni, tuttavia solo lo sviluppo tecnologico e metodologico che si è avuto recentemente consente di affrontare con successo problemi di importanza pratica.

Biosensore: riconoscimento DNA-proteina su un elettrodo d'oro

La modellistica predittiva consente di rivoluzionare il modo di operare tradizionale. Piuttosto che effettuare la sintesi e la caratterizzazione di un numero elevatissimo di composti per ottenere quell’unico prodotto con le proprietà volute, è infatti possibile progettare a livello molecolare il sistema con le funzionalità desiderate. Le diverse scale di riferimento impongono l’impiego di metodi ab initio oppure metodi di tipo stocastico o di dinamica molecolare, complementari e di supporto ad approcci innovativi del tipo top-down. Tali metodi sono basati sull’ integrazione di metodologie di meccanica del continuo con tecniche di caratterizzazione nanostrutturale, volte all’individuazione di descrittori quantificabile. Lo scopo è lo sviluppo di algoritmi di modellizzazione e simulazione basati su un approccio scientifico multidisciplinare, essenziale per una ricerca competitiva ad elevato contenuto di conoscenza.

La modellistica predittiva, oltre a questo ruolo primario nella sintesi, riveste naturalmente anche un ruolo essenziale nell’analisi e nella comprensione di fenomeni fondamentali nel campo dell’ambiente e dei materiali, così come nei processi catalitici e biologici. Infatti, il calcolo ad alte prestazioni rende oggi possibile lo studio teorico di sistemi di complessità crescente ad un livello di accuratezza in passato irraggiungibile.

Modello molecolare e spettro EPR (banda X) della Fe(III)-Rubredossina

Si è pertanto ritenuto utile raccogliere competenze, già presenti ed attive nel passato, in un unico progetto che miri in maniera coordinata ad affrontare essenzialmente i seguenti temi:
· Processi all’interfase superficiale
· Dalle molecole ai nanosistemi
· Processi biologici e drug design
· Soft matter

Naturalmente l’articolazione del progetto in commesse di ricerca è allo stato embrionale, ma va sottolineato che esso si avvale di una stretta sinergia con il sistema universitario in parte già definita nell’ambito del Progetto PROMO condotto in collaborazione con il Consorzio INSTM.

Commesse di ricerca

Fonti di Finanziamento e Rete Scientifica