IMpose Pressure And Change Technology - Sistemi nanostrutturati confinati in matrici zeolitiche

Come si comportano i nano-aggregati molecolari quando vengono compressi in regime di alta pressione? E cosa succede se sono confinati in nano-cavità? Lo studio e la comprensione del comportamento delle molecole e dei materiali quando vengono contemporaneamente sottoposti a elevata pressione, confinamento spaziale e vincoli morfologici su scala nanometrica - una sfida mai affrontata fino ad ora - significa progresso per le scienze di base e potenziali ricadute di enorme impatto tecnologico. ImPACT sfrutterà questo regime di “iper-confinamento” per creare organizzazioni supramolecolari, con il duplice obiettivo di produrre nuovi nanosistemi di morfologia controllata e di esaltare le proprietà funzionali di questa classe di materiali di grande interesse per la tecnologia del presente e del futuro. I sistemi iper-confinati saranno realizzati mediante una semplice ed innovativa strategia "bottom-up" che, partendo da molecole disciolte in mezzi liquidi e successivamente “iniettate” in cavità zeolitiche tramite pressioni fino a 10 GPa, consentirà di creare “array” ordinati di aggregati supramolecolari nanometrici. La

peculiarità delle zeoliti di comportarsi come “stampi” cristallini resistenti alla pressione, sarà sfruttata per forzare l'aggregazione e l'organizzazione delle molecole in cavità zeolitiche di forma specifica. La scelta di differenti topologie zeolitiche - caratterizzate da diverse aperture dei canali e dimensioni delle gabbie - ci permetterà di “creare” sistemi supramolecolari iper-confinati di forma, morfologia e dimensionalità prestabilite. Specificamente, ci proponiamo di utilizzare zeoliti con topologia strutturale di tipo: CHA, MFI, FAU ed LTL . Il raggiungimento di questo obiettivo ci fornirà una serie di procedure operative per realizzare architetture ordinate di nanosistemi e per studiare gli effetti dell'iper-confinamento su di esse. La caratterizzazione chimico-fisica delle fasi ottenute sarà effettuata attraverso un approccio multi-metodologico basato sull'integrazione di tecniche sia sperimentali che teoriche.

Tratteremo ibridi “host-guest” colorante-zeolite L (LTL) che, in virtù delle loro peculiari proprietà ottiche, dovute all'arrangiamento ordinato delle molecole fotosensibili nei canali della zeolite, e della loro notevole stabilità chimica, sono impiegati per la produzione di sistemi-antenna artificiali, gerarchicamente organizzati fino alla macroscala, oppure, grazie alla loro biocompatibilità, utilizzati come “marker” di cellule tumorali in vivo. Data la loro rilevanza per la sostenibilità ambientale e la salute umana (aspetti che sposano le priorità del programma EU “Horizon 2020”), sottoporremo questi materiali avanzati a condizioni di alta pressione, allo scopo di evidenziare, studiare e sfruttare eventuali modifiche irreversibili delle loro proprietà funzionali, volte al miglioramento, al potenziamento e all'estensione delle applicazioni.

Per identificare e comprendere a livello atomistico i fenomeni dipendenti da forma/dimensionalità/pressione adotteremo un approccio di caratterizzazione teorico/sperimentale sinergicamente integrato, basato su diffrazione in-situ ed ex-situ con sorgenti convenzionali e non convenzionali (luce di sincrotrone e neutroni), spettroscopie vibrazionali (IR e Raman) ed elettroniche (in assorbimento ed emissione), simulazioni di proprietà spettroscopiche nonché simulazioni di dinamica molecolare classica e ab-initio. Gli esperimenti saranno eseguiti sia in compressione che in decompressione, per analizzare gli effetti del diverso grado di confinamento sulle proprietà del materiale e la reversibilità/irreversibilità del processo. Ci proponiamo quindi di: i) determinare la struttura dei materiali microporosi contenenti molecole iper-confinate in regime di alta pressione, verificando il grado di reversibilità dei processi indotti dalla pressione; ii) fornire una descrizione a livello atomico della struttura e della morfologia delle specie molecolari iper-confinate, delle interazioni con l'impalcatura zeolitica e degli effetti della forma di tali cavità; iii) esplorare diversi tipi e gradi di confinamento spaziale incapsulando le molecole in una serie di matrici zeolitiche caratterizzate da differenti sistemi di canali e gabbie, ed analizzare gli effetti combinati di pressione e bassa dimensionalità sulle proprietà spettroscopiche degli aggregati supramolecolari (e.g. frequenze vibrazionali, assorbimenti UV-Vis, luminescenza); iv) evidenziare e studiare eventuali reazioni chimiche indotte dall' iper-confinamento e controllarne il decorso modulando i parametri di processo (pressione applicata/forma della cavità); v) investigare l'effetto della pressione su alcuni compositi zeolite L-colorante di elevato interesse tecnologico allo scopo di: a) stabilire un intervallo di pressioni in cui la funzionalità di questi sistemi è preservata; b) verificare se eventuali miglioramenti delle proprietà ottiche indotti dalla pressione possano essere trasferiti alle condizioni di utilizzo del dispositivo e quindi sfruttati per le specifiche applicazioni; vi) realizzare, tramite iper-confinamento di specie fotosensibili in zeoliti, nuove classi di materiali funzionali ibridi ed investigarne le proprietà.

Poiché i risultati di ImPACT avranno impatto sia sulla comunità scientifica che sulla tecnologia e le sue applicazioni sostenibili, verranno resi noti tramite i consueti canali della comunicazione scientifica e divulgati tramite “social network” allo scopo di garantirne ampia e capillare diffusione.