1. Area scienze di base

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1 Area scienze di base aree progettuali 1. Area scienze di base L area delle scienze di base si può ritenere indirizzata verso la produzione di nuove conoscenze e la realizzazione di nuove metodologie. Questa classificazione, pur nella sua semplificazione, evidenzia il fatto che la ricerca di base permea indistintamente tutte le discipline scientifiche e tecnologiche, al punto che attualmente la distinzione tra essa e la ricerca tecnologica, a carattere più applicato, è molto sfumata. All area delle scienze di base vengono fatti afferire i settori tradizionali di matematica, fisica e chimica, che sono presenti anche in modo più o meno diffuso in tutte le aree scientifiche. Tali settori verranno analizzati singolarmente a titolo rappresentativo dell intera attività scientifica. 1.1 La Matematica Il quadro di riferimento La matematica si presenta oggi come una scienza assolutamente trasversale rispetto alle altre discipline, ricoprendo un ruolo centrale nella ricerca di base, nel supporto allo sviluppo scientifico e tecnologico, nella progettazione industriale avanzata e nell'analisi delle ricadute di questo sviluppo sulla natura e sull'uomo. In particolare, vi è un forte interesse strategico allo studio e alla progettazione di nuove metodologie di calcolo che sappiano sfruttare le sempre crescenti potenzialità delle tecnologie informatiche. Si veda ad esempio la recente decisione della NSF statunitense di portare da tre a sei il numero dei suoi istituti nel settore (con incremento di budget 24 milioni di dollari su 5 anni). Lo strumento fondamentale di scambio con le altre discipline è dato dal processo di modellizzazione matematica, che permette di caratterizzare, analizzare e prevedere eventi specifici tramite algoritmi di calcolo ben determinati (si pensi ad esempio alla programmazione lineare e agli schemi numerici ad essa associati). In questo contesto, la modellizzazione matematica di problemi decisionali o di ottimizzazione ha incentivato la progettazione e la diffusione di risolutori automatici capaci di fornire soluzioni esatte o correttamente approssimate, anche per problemi di notevole complessità. Un aspetto estremamente innovativo rispetto ai metodi tradizionali della ricerca scientifica, è dato dalle moderne metodologie di calcolo. Calcolatori sempre più potenti, dotati di dispositivi di visualizzazione sempre più sofisticati, e reti di interconnessione ad alta velocità rappresentano la base tecnologica di questo approccio. L'obiettivo principale è dato dallo sviluppo di modelli, solidamente fondati dal punto di vista matematico, e algoritmi altamente efficienti ed affidabili che permettano di sfruttare i moderni strumenti tecnologici per fornire risposte adeguate ai problemi posti dai diversi settori scientifici ed applicativi. In questo contesto la complessità da governare è continuamente crescente, data la dimensione dei sistemi e la quantità di dati che si vogliono considerare. Questo rende necessario CNR Piano Triennale

2 Parte 1 Piano scientifico utilizzare metodologie in grado di filtrare i dati per estrarne in modo attendibile l'informazione richiesta. In questa direzione si assiste ad un sempre maggior sviluppo di approcci di tipo stocastico, basati sul Calcolo delle Probabilità e la Statistica Matematica, proprio per poter considerare situazioni in cui la complessità dei fenomeni in esame sia tale da non permettere l'impiego dei metodi deterministici. In particolare, ha avuto considerevole sviluppo la Teoria delle Decisioni che ha lo scopo di fornire strumenti matematici di supporto in condizioni di rischio e di incertezza Obiettivi generali e progetti specifici Le considerevoli potenzialità applicative dei vari rami della Matematica, l'alto valore del rapporto costi/benefici per quanto riguarda gli investimenti, e la grande duttilità e universalità dei metodi matematici, ne fanno uno strumento potente per quasi tutte le ricerche interdisciplinari. Considerando inoltre che lo sviluppo italiano ed europeo, e più in generale dei paesi industrializzati, sarà sempre più basato su prodotti di natura 'non materiale' (terziario avanzato, telecomunicazioni), sembra essere indispensabile il rafforzamento, in primo luogo in termini di personale e risorse, delle competenze matematiche. In effetti, la situazione attuale della ricerca intramurale per quanto riguarda la Matematica, oggi basata essenzialmente su due grandi istituti, l'istituto per le Applicazioni del Calcolo 'Mauro Picone' con sede a Roma e sezioni a Bari, Firenze e Napoli e l'istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche con sede a Pavia e sezioni a Genova e Milano, è di eccellenza nell'ambito della ricerca nazionale, e sicuramente buona nel riferimento internazionale, almeno sotto il profilo della qualità. Il CNR, in sinergia con l'università, dovrà contribuire a mettere in luce l'alto potenziale applicativo della ricerca matematica, facilitandone i rapporti con altre discipline accademiche e soprattutto con altri settori del mondo produttivo, economico e sociale. Del resto, in passato un ruolo fondamentale per la Matematica italiana è stato svolto dal CNR, in particolare per quanto riguarda la ricerca in Matematica Applicata, con un forte sostegno alle attività nei settori più di frontiera e alla formazione di giovani ricercatori. Le ricerche svolte negli istituti del CNR hanno portato significativi contributi in tutti i campi di applicazione considerati, tra cui ricordiamo le biotecnologie, i materiali speciali, la combustione, i semiconduttori, i problemi ambientali, la protezione dei beni culturali, la formazione, il calcolo ad alte prestazioni, la diagnostica non invasiva, la grafica computazionale e la progettazione industriale. In particolare, l'attività presente e futura di entrambi gli Istituti Matematici del CNR sarà rivolta, nel prossimo triennio, ad alcune specifiche aree progettuali. Area progettuale 1_1: Modellistica differenziale ed analisi numerica. Uno dei settori storicamente più rilevanti della modellizzazione matematica è sicuramente quello relativo all'uso di tecniche differenziali, in particolare in problemi derivanti dalla fluidodinamica, dalla meccanica dei 36 CNR Piano Triennale

3 Area scienze di base aree progettuali solidi, dall'elettromagnetismo, dalla teoria del controllo automatico, con importanti applicazioni a problemi ingegneristici (aerospaziali, elettronici etc.), biomatematici, medici e ambientali, allo studio del degrado di monumenti storici e, più recentemente, dei mercati finanziari. Progetti specifici saranno dedicati alla risoluzione numerica dei modelli considerati. Si osservi come questa risoluzione svolga un ruolo doppiamente fondamentale. In primo luogo, accoppiata ai dati sperimentali, costituisce uno strumento essenziale per la validazione dei vari modelli e per la determinazione dei limiti della loro applicabilità. In secondo luogo, laddove il modello può essere considerato come acquisito, la simulazione numerica è di grandissima utilità nella fase di progettazione, per ottimizzare il rapporto costi/prestazioni in ambito industriale, economico, medico e ambientale. Istituti coinvolti nell'area progettuale Istituto per le Applicazioni del Calcolo 'Mauro Picone' - Roma IAC; Istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche - Pavia IMATI; Istituto di Metodologie per l Analisi Ambientale Potenza IMAA. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati, che già sono compresi nell attuale Programma Strategico Tecnologie abilitanti per la società della conoscenza sono coerenti soprattutto alle attività previste dall Asse strategico 1 (Avanzamento delle frontiere della conoscenza) e 3 (Potenziamento dell attività di ricerca industriale) delle Linee Guida per la politica scientifica e tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati di quest'area progettuale potranno essere di grande utilità sia per il mondo produttivo (fluidodinamica, meccanica dei solidi, elettromagnetismo), sia per quello dei servizi e della cultura (salvaguardia della salute, del patrimonio artistico e ambientale, analisi dei mercati finanziari). L'Italia presenta in quest'area un notevole ritardo, specialmente in alcune aree strategiche sia dal punto di vista teorico che applicativo. Per esempio è ancora relativamente scarso l'uso di moderni codici numerici nell'ambito dei settori di interesse produttivo (fluidodinamica, semiconduttori, elettromagnetismo, strutture). Programmi di alta formazione per le imprese, sul modello delle scuole INRIA, patrocinate da CEA e EDF in Francia, o dell'istituto von Karman per la fluidodinamica, potrebbero essere promosse dal CNR per stimolare l'interazione con il mondo produttivo che ancora non conosce la potenzialità applicativa del settore. CNR Piano Triennale

4 Parte 1 Piano scientifico Area progettuale 1_2: Informatica matematica e metodologie computazionali. L informatica matematica, le metodologie e gli strumenti computazionali sono in continua espansione grazie alla combinazione di due fattori fondamentali: la crescita della domanda e la disponibilità di tecnologie e strumenti adeguati. La domanda è orientata soprattutto verso nuove e sempre più sofisticate capacità di simulazione che permettono di modellare con realismo ed affidabilità sistemi altamente complessi. Le tecnologie comprendono: mezzi di calcolo distribuiti e accessibili a basso costo attraverso le reti di comunicazione, e strumenti per l acquisizione dati e la restituzione grafica. In questo contesto un problema chiave è quello del collegamento tra il modello matematico e la metodologia computazionale. In questo ambito si intendono svolgere alcune importanti tematiche, di seguito descritte. a) Realizzazione di metodi e modelli avanzati per l analisi e la sintesi di segnali e di forme, e allo studio delle correlazioni tra modello matematico, modello computazionale e rappresentazione grafica di oggetti nei sistemi di simulazione e sperimentazione virtuale. Alcune delle applicazioni principali di queste metodologie sono in progettazione industriale, nella rappresentazione del territorio in campo biomedico e nella descrizione dello stato di degrado di monumenti storici. b) Sviluppo di architetture di grid computing, che mirino a mettere a punto metodologie per sfruttare le moderne risorse di calcolo distribuite, che danno la possibilità di fornire un eccellente potenza di elaborazione in modo trasparente, utilizzando i servizi delle reti di interconnessione secondo un modello simile al sistema di produzione e distribuzione dell energia elettrica. Lo sviluppo di queste architetture virtuali indirizza la ricerca verso la progettazione di metodologie, di algoritmi e librerie portabili e con prestazioni efficienti in ambienti eterogenei. c) Sviluppo di modelli di simulazione di sistemi complessi basati su agenti. Partendo da descrizioni relativamente semplici, il punto di forza di tali modelli consiste nel definire in maniera dettagliata le caratteristiche statiche (attributi) e dinamiche (regole di comportamento/interazione) degli agenti, e di lasciarli poi evolvere. La possibilità di raggiungere livelli di realismo elevati dipende in maniera critica dalla capacità di calcolo disponibile. In questo senso, questo progetto è connesso al punto precedente, ovvero all utilizzo del grid-computing e/o del calcolo distribuito, come base hardware/software per gli esperimenti numerici. La definizione degli agenti (siano essi particelle, cellule o esseri umani) o delle regole (cooperazione, comunicazione, competizione etc.) è piuttosto generica. Proprio per questo è possibile applicare tale paradigma allo studio di problemi in aree applicative apparentemente molto diverse. In maniera concreta si considerano esempi nell ambito della biologia e della finanza. d) Sviluppo di metodi per la formulazione e simulazione qualitativa di modelli di fenomeni dinamici complessi, la cui conoscenza è incompleta e/o qualitativa. Nel modello qualitativo le informazioni introdotte sono, tipicamente, relazioni di dipendenza monotona a tratti tra le variabili, dove i 38 CNR Piano Triennale

5 Area scienze di base aree progettuali tratti rappresentano valori soglia. Gli algoritmi di simulazione, pur partendo da descrizioni semplici, generano in una sola esecuzione, l intera gamma di possibili dinamiche del sistema, espresse in termini delle salienti caratteristiche qualitative. Tali predizioni sono preferibili a quelle quantitative per la soluzione di problemi per i quali basta conoscere il segno dello scostamento da valori nominali o il trend di alcune variabili: si pensi alla diagnostica o alla decisione di strategie finanziarie. Anche in un contesto di modellizzazione quantitativa, i modelli qualitativi presentano un duplice punto di forza. Essi consentono di definire metodi ibridi, robusti ed efficienti, per l identificazione di sistemi la cui conoscenza e incompleta, e ambienti computazionali di supporto al ragionamento basato su modelli per la risoluzione automatica di problemi. L applicabilità di tali metodologie è alquanto ampia ma ci si focalizzerà sul campo bio-medico e sulla scienza dei materiali. e) Attività di formazione avanzata che farà particolare riferimento alla matematica e ad altre discipline scientifiche, con l uso di nuove tecnologie informatiche e multimediali, che favoriscano lo studio cooperativo e la condivisione di conoscenze tramite le reti di interconnessione. Istituti coinvolti nell area progettuale Istituto per le Applicazioni del Calcolo Mauro Picone - Roma IAC; Istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche - Pavia - IMATI; Istituto di Scienza e Tecnologie dell Informazione Alessandro Faedo - Pisa - ISTI; Istituto di Analisi dei Sistemi ed Informatica Roma - IASI. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati, che già sono compresi nell attuale Programma Strategico Tecnologie abilitanti per la società della conoscenza, rientrano nell area prioritaria Infoscienza e sono coerenti in particolare alle attività previste dall Asse strategico 2 (Sostegno della ricerca orientata allo sviluppo di tecnologie chiave abilitanti a carattere multisettoriale) e 3 (Potenziamento dell attività di ricerca industriale) delle Linee Guida per la politica scientifica e tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati dei progetti di quest area progettuale saranno di grande interesse per tutte le strutture produttive di servizio che fanno un crescente uso del calcolo ad alte prestazioni e di tecnologie innovative per la rappresentazione e la visualizzazione della conoscenza. Area progettuale 1_3: Statistica matematica. La sempre maggiore richiesta di confronto interdisciplinare pone i ricercatori di fronte a fenomeni complessi, le cui leggi non sono ancora completamente conosciute, o a fenomeni che sviluppandosi su diverse scale richiedono CNR Piano Triennale

6 Parte 1 Piano scientifico modelli interagenti di influenza decrescente. Per tali fenomeni la trattazione attraverso modelli stocastici, pur con le inevitabili difficoltà computazionali e di formulazione teorica, permette di cogliere gli aspetti salienti e, attraverso lo sviluppo di metodi di simulazione, di proporre nuove ipotesi evolutive e verificarne la validità. La ricerca è in particolare rivolta allo sviluppo e allo studio di metodologie e alla costruzione di modelli per la descrizione di fenomeni aleatori, considerando il processo di formulazione e analisi del modello in tutte le sue varie fasi. I temi trattati saranno: metodi classici e bayesiani per l'analisi statistica di modelli parametrici e non parametrici, analisi statistica di sistemi multivariati complessi, analisi statistica di segnali. Particolare attenzione sarà rivolta ad applicazioni in campo tecnologico, biomedico, finanziario e ambientale. Istituti coinvolti nell'area progettuale Istituto per le Applicazioni del Calcolo 'Mauro Picone' - Roma IAC; Istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche - Pavia IMATI; Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara Firenze IFAC. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati, che già sono compresi nell attuale Programma Strategico Tecnologie abilitanti per la società della conoscenza sono coerenti soprattutto alle attività previste dall Asse strategico 3 (Potenziamento dell attività di ricerca industriale) e 4 (Promozione della capacità di innovazione nei processi e nei prodotti) delle Linee Guida per la politica scientifica e tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati di questa area progettuale potranno essere di grande utilità sia per il mondo produttivo sia per quello dei servizi, dai quali proviene una crescente richiesta di metodologie statistiche e probabilistiche a fronte di una generale carenza di competenze al riguardo. Il CNR, che di tali competenze dispone invece in misura significativa nei suoi Istituti, potrebbe svolgere un ruolo importante sia per la soluzione di problemi applicativi sia per l alta formazione di personale qualificato nelle imprese. Area progettuale 1_4: Ricerca operativa. La Ricerca Operativa è nota come 'la scienza delle decisioni', e si occupa della modellizzazione dei problemi decisionali e della loro risoluzione. La Ricerca Operativa si caratterizza nello studio di problemi di ottimizzazione sia nel continuo che nel discreto e dal costante tentativo di mettere insieme in modo efficiente le due competenze. È facilmente prevedibile infatti che una maggior interazione fra i punti di vista continuo e discreto possa produrre sviluppi interessanti sia a livello metodologico che applicativo. L'ambiente interdisciplinare del CNR, con forti competenze anche in aree collegate (controllo, informazione etc.), è certamente il più adatto a favorire questo 40 CNR Piano Triennale

7 Area scienze di base aree progettuali processo, soprattutto perché in alcuni istituti del CNR esistono già delle realtà di eccellenza il cui potenziamento porterebbe il CNR in una situazione di leadership internazionale su larga scala. E da sottolineare comunque come un forte sviluppo della Ricerca Operativa sia avvenuto anche grazie all evoluzione delle tecnologie informatiche con le quali essa ha potuto svilupparsi anche nell area della simulazione di processi. Si intendono sviluppare progetti nei seguenti ambiti: progetto, implementazione e sperimentazione di algoritmi di ottimizzazione combinatoria su larga scala e di ottimizzazione dinamica (controllo), matematica discreta, simulazione di sistemi di trasporto, scheduling e sue applicazioni. Istituti coinvolti nell area progettuale Istituto per le Applicazioni del Calcolo Mauro Picone Roma IAC; Istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche Pavia IMATI; Istituto di Analisi dei Sistemi ed Informatica IASI; Istituto per le Tecnologie Industriali ed Automazione ITIA. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati, che già sono compresi nell attuale Programma Strategico Tecnologie abilitanti per la società della conoscenza, rientrano nell area prioritaria Infoscienza e sono coerenti in particolare alle attività previste dall Asse strategico 1 (Avanzamento delle frontiere della conoscenza) e 2 (Sostegno della ricerca orientata allo sviluppo di tecnologie chiave abilitanti a carattere multisettoriale) delle Linee Guida per la politica scientifica e tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati di questo progetto rivestiranno fondamentalmente un carattere di acquisizione di conoscenze e di metodologie a carattere generale che potranno essere utilizzate su un estesissimo campo di ricerca e di applicazioni industriali o di servizio Principali collaborazioni scientifiche internazionali GMD (Gesellschaft fuer Mathematik und Datenverarbeitung), Germania CWI (Centrum voor Wislunde en Informatica), Olanda INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique), Francia ERCIM (European Research Consortium for Informatics and Mathematics) Fraunhofer-Institut, Germania CNRS (Centre Nationale de la Recherche Scientifique), Francia Institute of Statistics and Decision Science, Durham, NC (USA) Statistics Research Associates Limited, Wellington, New Zealand CNR Piano Triennale

8 Parte 1 Piano scientifico 1.2 La Fisica Il quadro di riferimento Non si prende qui in considerazione l area di Fisica Nucleare e delle particelle elementari le cui attività sono coperte in Italia quasi esclusivamente dall Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Si considereranno qui le aree in cui il CNR è presente in modo significativo ed intende rafforzare la sua attività. Fisica del plasma. La fisica del plasma ha avuto i suoi maggiori stimoli nella ricerca sulla fusione termonucleare e nella ricerca spaziale ed astrofisica. L attività europea è stata particolarmente di successo nell ambito Euratom, in particolare nello studio dei plasmi a confinamento magnetico, che ha portato comunque ad una posizione preminente a livello mondiale, mantenendo una notevole diversità di esperimenti in parallelo alla costruzione del JET. Astronomia e astrofisica. La ricerca astrofisica è ben sviluppata in Europa, sia per le infrastrutture di osservazione a terra sia nel campo della fisica spaziale. La comunità astronomica e astrofisica Europea ha una massa critica ed una produttività comparabile con quella USA, nonostante la disparità dei finanziamenti. L astrofisica spaziale in Italia si è sviluppata principalmente per merito degli istituti del CNR nei settori dell astronomia X, gamma, infrarossa, millimetrica, della cosmologia, della fisica dello spazio interplanetario e della planetologia. Ciò è stato possibile grazie all impegno nella realizzazione di esperimenti a bordo di satelliti competitivi a livello internazionale nonché nello sviluppo di osservatori d avanguardia a terra. Per esempio, nell ottico e nell infrarosso si sono sviluppati grandi telescopi, con strumentazione di piano focale, nell ambito dei progetti dell ESO. Nel radio, una estesa rete di radiotelescopi mantiene l Europa allineata con gli Stati Uniti sia nello sviluppo di strumenti singoli sia nelle tecniche interferometriche. Per quanto riguarda la radiazione cosmica, l Italia vanta un osservatorio di registrazione continua della componente nucleonica, inserito nella rete mondiale di osservatori dal Infine, l astrofisica teorica sviluppata dal CNR è ben rappresentata in Italia. Fisica della materia condensata. In campo internazionale la ricerca di base nella Fisica della materia condensata è forse tra le più diversificate e va dallo studio delle superfici ed interfacce, a quello dei semiconduttori, metalli e superconduttori, al comportamento di fluidi e solidi quantistici, al magnetismo e all elettronica quantistica. Questa diversità risulta spesso in una competizione salutare ed ha favorito la nascita di nuove aree come, ad esempio, la nanofisica ed i sistemi mesoscopici che sono di grande interesse per il mondo industriale. L insieme delle attività del CNR nel settore, opportunamente gestite da un Gruppo di coordinamento, potranno 42 CNR Piano Triennale

9 Area scienze di base aree progettuali costituire un riferimento nazionale per le ricerche avanzate relative ai materiali e dispositivi per l elettronica ed optoelettronica. In particolare va mantenuta la rete di collegamento fra istituti del CNR e Aziende costruita dal recente Progetto Finalizzato MADESS. Le attività applicative che si sono sviluppate accanto alla ricerca di base si articolano anch esse in diversi campi che vanno dalla scienza e tecnologia dei materiali, all opto- e micro-elettronica, ai materiali magnetici innovativi, alle nanotecnologie, alla fotonica, alla sensoristica ed alla diagnostica avanzata, all interazione campi elettromagnetici materia vivente e alla conservazione dei beni culturali. Quei laboratori che sono riusciti ad ottenere un giusto equilibrio tra scienza di base e possibili applicazioni hanno ottenuto risultati ragguardevoli sia nell uno che nell altro campo. Fisica atomica, molecolare ed ottica. Le attività in Fisica atomica e molecolare raggiungono in Europa una qualità eccellente. Se la ricerca nell area dello studio delle collisioni è diminuita, si sono aperti nuovi campi come la fisica dei cluster o gli studi di interazione tra molecole e superfici, ed i laser sono diventati gli strumenti di indagine principali in tale area. I laser di ultima generazione con impulsi extracorti (intervalli di pochi femtosecondi) hanno aperto nuovi campi di applicazione che si espandono anche in altre discipline come la chimica e la biologia. Risultati di ricerca di base eccezionali sono stati ottenuti nella condensazione di Bose-Einstein su sistemi diversi dall elio liquido, nei campi dei reticoli ottici e dell interferometria atomica. La fisica atomica e molecolare ha avuto un notevole impulso anche dalle sorgenti di luce di sincrotrone di terza generazione, come ESRF ed Elettra, la cui brillanza in ampi intervalli di energia ha permesso di ottenere risoluzioni energetiche tali da poter fare spettroscopia ad un livello prima impossibile Obiettivi generali e progetti specifici Considerando il quadro di riferimento sopra citato gli Istituti del CNR intendono sviluppare programmi di ricerca che saranno organizzati in quattro grandi aree progettuali. Area progettuale 1_5: Fisica del plasma. In quest area si svilupperanno soprattutto tre grandi progetti: progetto 1_5_1: sviluppo della macchina RFX per il confinamento magnetico del plasma in Reverse Field Pinch; progetto 1_5_2: fisica teorica e sperimentale dei plasmi confinati magneticamente e dell impiego di onde elettromagnetiche ad alta frequenza ed alta potenza negli impianti Tokamak europei dedicati alla Fusione Termonucleare Controllata; CNR Piano Triennale

10 Parte 1 Piano scientifico progetto 1_5_3: studi tecnologici per applicazioni di interesse industriale dei plasmi e studi teorici e applicativi di onde elettromagnetiche in plasmi di laboratorio e d interesse astrofisico. Una parte rilevante di tali attività si svolge all interno del Contratto di Associazione EURATOM-ENEA-CNR. Da segnalare inoltre le attività sui plasmi connesse alla ricerca astrofisica (magnetosfera, ionosfera, spazio interstellare). Istituti coinvolti nell area progettuale Istituto di Fisica del Plasma Piero Caldirola Milano IFP Istituto Gas Ionizzati Padova IGI (consorziato con ENEA ed Università di Padova per la gestione e lo sviluppo di RFX) Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa - IPCF. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati sono coerenti soprattutto alle attività previste dall Asse strategico 2 (Sostegno della ricerca orientata allo sviluppo di tecnologie chiave abilitanti a carattere multisettoriale), nonché alle iniziative di collaborazione internazionale previste dalle Linee Guida per la politica scientifica e tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati di questo progetto saranno essenziali per assicurare il progresso verso la realizzazione della fusione termonucleare controllata, la cui importanza per la risoluzione dei problemi energetici a lungo termine è universalmente riconosciuta. Area progettuale 1_6: Astrofisica. I nuovi istituti del settore rappresentano una realtà di eccellenza nell Astrofisica nazionale ed internazionale e si pongono come punto di riferimento delle attività sia da terra (nelle bande Radio, Millimetriche, nell Infrarosso, nel Visibile e delle Radiazioni Corpuscolari) sia dallo spazio (Planetologia, Astrofisica X e Gamma, UV, Visibile, Infrarosso, Millimetrico, Radio, Osservazioni in situ di plasmi astrofisici nel sistema solare). Il punto di forza riguarda la capacità di progettazione, realizzazione e integrazione di sistemi complessi, associati allo sviluppo di nuove tecnologie di rivelazione della radiazione corpuscolare ed elettromagnetica, in tutte le bande di frequenza e, in alcuni casi significativi, al trasferimento tecnologico verso l Industria. Occorre sottolineare la partecipazione degli istituti del settore, con ruoli di responsabilità primaria, alla realizzazione e alla definizione dei programmi scientifici dell ASI, di tutte le missioni dell ESA previste nel quadro del programma spaziale europeo Orizzonte 2000 (XMM-Newton, INTEGRAL, PLANCK, ROSETTA, CLUSTER, CASSINI, HERCHEL, BEPI COLOMBO, SOHO) e delle missioni spaziali di altre Agenzie. Nel campo della strumentazione da 44 CNR Piano Triennale

11 Area scienze di base aree progettuali terra, gli istituti del CNR gestiscono e sviluppano grandi strumentazioni radioastronomiche e partecipano ai programmi dell European Southern Observatory (ESO) e di consorzi internazionali, come il Consorzio Europeo per il VLBI (Very Long Baseline Interpherometry) e il Consorzio italo-francospagnolo che gestisce THEMIS. Questa ampia attività di ricerca, competitiva sia a livello europeo che in ambito internazionale, assicura una grande visibilità all Ente e deve essere opportunamente sostenuta anche a livello politico. Gli istituti del settore vantano consolidate collaborazioni organiche con l Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), con molti dipartimenti universitari, con l INFN e con l ENEA, soprattutto nell ambito del Programma Nazionale Ricerche in Antartide (PNRA). In campo internazionale gli istituti del settore collaborano con le più prestigiose istituzioni, come ESA, ESO, NRAO, CSIRO, IVS, Max Planck, CNRS, IKI, Goddard, Marshall, JPL, RIKEN. Nel caso di istituzioni internazionali quali ESA e ESO, l Ente dovrà sostenere la partecipazione di suoi dipendenti agli organismi di rappresentanza scientifica della comunità. Nella fase di ristrutturazione della rete, è stato e sarà fondamentale avviare una politica di potenziamento delle risorse umane e finanziarie. Il potenziamento e il sostegno dell Ente dovrà rivolgersi principalmente allo sviluppo delle attività a livello internazionale, mirando a: progetto 1_6_1: tecnologie spaziali; sviluppo di tecnologie spaziali in ambito internazionale con particolare riguardo alle missioni ASI ed ESA. Il CNR con questa attività intende mantenere un ruolo scientificamente dominante nel settore spaziale; progetto 1_6_2: grandi apparecchiature; potenziamento delle grandi apparecchiature radio astronomiche esistenti e sviluppo di SRT (Sardinia Radio Telescope); progetto 1_6_3: fisica cosmica; potenziamento del settore della fisica cosmica e sviluppo di strumentazione di nuova generazione per i grandi rivelatori. Istituti coinvolti nell area progettuale Istituto di Radioastronomia - Bologna IRA; Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica - Roma IASF; Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario - Roma IFSI; Istituto di Scienze dell Atmosfera e del Clima - Bologna ISAC; Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara Firenze IFAC. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati sono coerenti soprattutto alle attività previste dall Asse strategico 1 (Avanzamento delle frontiere della conoscenza) e 2 (Sostegno della ricerca orientata allo sviluppo di tecnologie chiave abilitanti a carattere multisettoriale), nonché alle iniziative di collaborazione internazionale previste dalle Linee Guida per la politica scientifica e CNR Piano Triennale

12 Parte 1 Piano scientifico tecnologica del Governo. Trasferimento delle conoscenze I risultati di queste ricerche hanno fondamentalmente il carattere di accrescimento di conoscenze sia di base sia tecnologiche che prevedibilmente si proietteranno su diversi settori di applicazione industriale nei campi dell elettronica, delle telecomunicazioni, dei trasporti, delle osservazioni della Terra e dell esplorazione ed utilizzo dello spazio. Area progettuale 1_7: Fisica della materia condensata. In quest area il CNR intende sviluppare diversi progetti che possono essere così elencati: progetto 1_7_1: materiali e processi per la microelettronica; nel progresso della fotonica e dell elettronica un ruolo essenziale è stato svolto dallo studio ed dall ingegnerizzazione dei materiali e dallo sviluppo di tecniche di deposizione e di caratterizzazione innovative. Lo sviluppo di dispositivi innovativi è pertanto intimamente connesso sia alla disponibilità di sofisticati materiali di base e alla loro caratterizzazione e sia alla disponibilità di tecnologie di deposizione dei film sottili metallici, dielettrici, etc necessari per realizzare architetture sempre più complesse. Se da un lato è difficile per il CNR competere nel campo dei microcircuiti integrati su larga scala, sicuramente i suoi istituti hanno una forte tradizione nella ricerca e sviluppo di nuovi materiali e sono in grado di soddisfare parte della domanda presente in campo applicativo, ad esempio, nella sensoristica o nella dispositivistica di interesse per la piccola e media impresa ed in cui i grandi attori industriali hanno una presenza molto limitata. Nel campo della microelettronica basata su silicio una classe di circuiti di grande interesse è rappresentata dai CMOS che hanno conosciuto negli ultimi decenni un enorme sviluppo basato su una costante tendenza alla miniaturizzazione. È opinione comune nella comunità scientifica che questa miniaturizzazione è ormai prossima al punto in cui sono necessari nuovi approcci. In quest'ambito sono stati individuati i seguenti due obiettivi: la realizzazione di memorie a nanocristalli basate su quantum dot di silicio e la realizzazione di ossidi ultrasottili, di nuovi schemi di metallizzazioni, e di giunzioni ultrascalate mediante impianto ionico ad energie sotto il kev e processi termici ultrarapidi (dallo spike anneal all'irraggiamento con laser ad eccimeri). Queste attività si svilupperanno in modo complementare con quelle di simulazione e di caratterizzazione avanzata. Nel campo dei dispositivi di potenza, il miglioramento delle prestazioni potrà essere conseguito sviluppando tecnologie su materiali innovativi a larga banda proibita. Fra questi il carburo di silicio (SiC) riscuote un notevole interesse grazie alla disponibilità di substrati cristallini, alla possibilità di usare l'ossido di silicio come dielettrico, ed alla capacità di crescere epitassie di strati drogati tipo p o n mediante deposizione chimica da fase vapore. Anche in 46 CNR Piano Triennale

13 Area scienze di base aree progettuali questo campo, il CNR dispone di competenze e risorse in grado di sviluppare i processi necessari per la tecnologia basata su SiC. Si tratta di attività di ricerca che nel complesso richiedono una forte interazione tra le strutture del CNR (Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi, Istituto per la Fotonica e la Nanotecnologie) e l'industria italiana impegnata nel settore. progetto 1_7_2: sensori e microsistemi; si tratta di un settore in forte espansione, volto allo sviluppo di sistemi multifunzionali miniaturizzati, nei quali alla tradizionale elaborazione di informazioni elettriche si affianca quella di segnali chimici, ottici, meccanici Una problematica fondamentale è costituita dalle tecnologie di microlavorazione, che consentono la realizzazione di strutture tridimensionali e componenti meccanici con dimensioni micrometriche, in virtù delle eccellenti proprietà meccaniche del silicio e delle conoscenze maturate nell ambito delle tecnologie microelettroniche. Il CNR è impegnato da anni in questo settore con un approccio multidisciplinare, per approfondire sia lo studio degli aspetti chimico-fisici dei materiali e dei processi tecnologici, che lo sviluppo di modelli, la simulazione, progettazione e realizzazione di dispositivi, fino alla loro caratterizzazione ed applicazione in settori strategici, quale quello ambientale e agroalimentare, biomedicale e delle telecomunicazioni che prevedono il coinvolgimento della piccola e media impresa. progetto 1_7_3: nanotecnologie; la generale tendenza alla miniaturizzazione sempre più spinta che caratterizza lo sviluppo dell elettronica, dell optoelettronica, della fotonica, ma anche di settori della bioelettronica e delle biotecnologie in genere, nonché di altri settori innovativi della chimica, fisica, biologia e medicina, ha fatto nascere un interesse diffuso per le nanotecnologie, intese come l insieme di attività per la realizzazione di sistemi e dispositivi su scala mesoscopica (da circa 100 nm in giù fino al livello molecolare) e dello sviluppo delle tecnologie necessarie per la realizzazione di sistemi miniaturizzati a partire da materiali estesi usando tecniche di micro e nanofabbricazione (approccio topdown ). Le nanotecnologie hanno un potenziale impatto per le problematiche d interesse per la conservazione di beni culturali, settore dove il CNR ha oggi un ruolo riconosciuto a livello internazionale per lo sviluppo di metodi di indagine e di intervento su scala micrometrica. Aspetti essenziali delle nanotecnologie nell approccio top-down sono lo sviluppo e l acquisizione di tecniche litografiche avanzate per la scrittura di pattern di dimensioni sempre più ridotte e di tecniche di rimozione del materiale, che preservino il livello di risoluzione della scrittura litografica. Obiettivi generali di questo progetto sono lo sviluppo delle tecnologie per la manipolazione di materiali e strutture su scala nanometrica e il potenziamento di quelle già acquisite. In particolare, si svilupperanno tecniche di litografia a fascio elettronico, a scansione di sonda (STM, AFM), a raggi X. Si svilupperanno I processi per la realizzazione di dispositivi nanometrici (nanoelettrodi, nanogiunzioni, etc.). Si svilupperanno le tecniche di caratterizzazione con risoluzione spaziale nanometrica. CNR Piano Triennale

14 Parte 1 Piano scientifico progetto 1_7_4: nano e microelettronica; per quanto concerne l elettronica, il suo impressionante sviluppo e la molteplicità delle sue applicazioni hanno fatto nascere una serie di ramificazioni nella ricerca di dispositivi innovativi tendente ad esaltarne le caratteristiche più funzionali alle applicazioni desiderate. Se da una parte ci si muove nella direzione della miniaturizzazione spinta dei componenti microelettronici e si stanno attivamente studiando dispositivi mesoscopici in cui gli effetti quantistici legati al confinamento e alla coerenza di fase delle funzioni d onda degli elettroni svolgono un ruolo determinante, dall altra diventano sempre più importanti settori quali l elettronica su larga area, l elettronica a superconduttore, i rivelatori dei vari tipi di radiazione, i rivelatori di tracce di elementi sia atomici che molecolari, i dispositivi realizzati con materiali organici. Tutte queste direzioni di sviluppo sono caratterizzate da un rilevante impegno tecnologico e, contemporaneamente, da un interesse applicativo a medio e/o breve termine. Il CNR ha una forte tradizione di ricerca e sviluppo in questi settori, pertanto, gli obiettivi generali di questo progetto sono il potenziamento delle capacità di progettare e sviluppare dispositivi mesoscopici (quali transistori a singolo elettrone, memorie a singolo elettrone, diodi a tunnel risonante,q-bit per computazione quantistica, etc) nonché di miniaturizzare dispositivi elettronici tradizionali come richiesto dal presente trend della ricerca in elettronica. progetto 1_7_5: fotonica, optoelettronica, laser ed ottica non lineare; la fotonica è il campo delle scienze e dell ingegneria che include i fenomeni fisici e le tecnologie associate alla generazione, trasmissione, manipolazione, misura ed utilizzazione dei fotoni. Si tratta dunque di un settore molto vasto che va dalle comunicazioni ottiche, alla registrazione, lettura, e visualizzazione della informazione; dall uso dei laser in biomedicina e nelle biotecnologie ai sistemi di lavorazione laser e di controllo ottico nell industria manifatturiera; dai sensori ottici, ai sistemi di illuminazione e, certamente non ultime, a tutte le applicazioni scientifiche in fisica, chimica, biologia etc. Il CNR ha una forte tradizione di ricerca e sviluppo in questi settori, pertanto, gli obiettivi generali di questo progetto sono il potenziamento delle capacità di progettare e sviluppare dispositivi fotonici e optoelettronici. L optoelettronica è un campo in forte crescita, caratterizzato da tecnologie e applicazioni fortemente innovative, e con ampie prospettive di sviluppo, legate anche alle nanotecnologie. Di particolare rilievo le attività di ricerca su fenomeni e materiali ottici, di sviluppo di sorgenti laser innovative, e di sviluppo di dispositivi attivi e passivi in ottica guidata (inclusi i sensori). La spinta verso livelli di integrazione sempre più elevati nella tecnologia dei dispositivi microelettronici basati su silicio impone la ricerca di strategie innovative nel campo delle interconnessioni per la propagazione dei segnali. In sostituzione delle attuali interconnessioni metalliche è pensabile, in un futuro ormai prossimo, l'utilizzo di interconnesioni ottiche che consentono di ridurre drasticamente i tempi di propagazione dei segnali in circuiti 48 CNR Piano Triennale

15 Area scienze di base aree progettuali integrati. La realizzazione di interconnessioni ottiche richiederà un'intensa attività di ricerca per lo sviluppo e l'integrazione in silicio delle singole componenti del circuito di trasmissione ottica: sorgente, rivelatore, guida d'onda e modulatori. Per quanto riguarda i dispositivi fotonici, un obiettivo generale è quello di realizzare componenti miniaturizzati, efficienti e a basso costo, per applicazioni non solo nei sistemi di comunicazione ottiche, ma anche nella sensoristica avanzata, utilizzando vetri drogati con terre rare e strutture per cristalli fotonici. Tra le due attività di ricerca esistono forti sinergie: in particolare, le interconnessioni ottiche su silicio comportano la realizzazione sul singolo chip di microcomponenti e microsistemi ottici tipici della fotonica. In queste attività, pertanto, è previsto lo sforzo congiunto di diverse strutture. Le attività di ricerca saranno sviluppate nell'ambito dei piani 5%, L. 95/95 e nuovi programmi del MIUR (FISR, FIRB) e sono suddivise in quattro fasi: Tecnologia di materiali e processi - Le attività riguardano i materiali semiconduttori (silicio per dispositivi optoelettronici, semiconduttori II-VI e III-V per la regione del blu-verde, semiconduttori a piccoli gap per rivelatori per infrarosso e per strutture a basse dimensionalità), materiali con proprietà ottiche non lineari, materiali attivi per fotoemettitori e amplificatori in guida. Tecnologie ed applicazioni dei dispositivi - Nel campo della tecnologia dei dispositivi verranno sviluppate le seguenti classi: i. dispositivi fotonici a semiconduttori, ii. dispositivi fotonici di volume sia passivi (elementi ottici diffrattivi), sia attivi (fibre ottiche drogate e microlaser), che di memoria (vetri contenenti ioni otticamente attivi), iii. dispositivi in ottica guidata (elementi ottici diffrattivi in fibra ottica, guide ottiche e componenti per amplificatori e laser ottici integrati) porte logiche, duplicatori di frequenza con tecniche Quasi Phase Matching, iv. sensori ottici per la rivelazione di agenti esterni per applicazioni che vanno dal monitoraggio ambientale alle applicazioni biomediche. Modelli e simulazione - Sviluppo di modelli di base e di algoritmi di simulazione per i fenomeni ottici non lineari e i fenomeni quantistici legati alle strutture a bassa dimensionalità. In particolare verranno simulate guide ottiche non lineari, semiconduttori nanofisici e sistemi composti da cluster. Diagnostica - Ampio uso di tecniche di caratterizzazione (strutturale, morfologica, ottica ed elettrica) dei materiali e dei dispositivi, con particolare riguardo a quelle interferometriche, olografiche e alle spettroscopie ultraveloci e sviluppo di nuove per l'attività analitica. Gli argomenti in oggetto vedranno impegnati in modo congiunto e complementare vari istituti in collaborazione con unità di INFM. Verranno inoltre sviluppate metodologie per la caratterizzazione composizionale dei materiali basate su SIMS, ISS, LAICP-MS, attivazione neutronica. Le CNR Piano Triennale

16 Parte 1 Piano scientifico industrie coinvolte sono molteplici e con diversi interessi e strutture e sono caratterizzate da una elevatissima pervasività; infatti i dispositivi optoelettronici danno un valore aggiunto elevato a prodotti di largo consumo, quali elettrodomestici, auto, sistemi di comunicazione, sistemi per elaborazione, trasmissione e memorizzazione dell'informazione, nonché per il trattamento di materiali e per applicazioni biomediche. Il panorama è molto ampio e sono interessate pertanto sia grandi industrie anche multinazionali, sia piccole e medie imprese alcune a carattere semiartigianale per specifiche applicazioni di nicchia. Le industrie coinvolte nel settore optoelettronica sono l'italtel ed Ericsson per le applicazioni alle comunicazioni, Agusta, Alenia, Comon, Fiat ed Olivetti per altre applicazioni. A queste si aggiungono la EL.EN. Srl, Quanta System Srl, CISE SpA, SMA Ambiente, Officine Galileo, Ansaldo Componenti, ed imprese medio-piccole. progetto 1_7_6: superconduttività ad alta temperatura; le iniziative più significative nel settore in ambito nazionale saranno svolte in modo coordinato nell'ambito di un Progetto 5%, gestito dal C.N.R. e che vede la partecipazione di gruppi CNR, INFM, ed industrie. Le attività sono raggruppate in due categorie: quelle finalizzate a scopi di immediata applicazione, comprendenti a) la progettazione, realizzazione ed ottimizzazione di magneti superconduttori a base di BiSCO, e b) la deposizione in continuo di nastri di YBCO superconduttore con tecniche Laser Pulsed Deposition e coevaporazione termica. La seconda linea di attività ha carattere più fondamentale e riguarda la realizzazione e lo studio di nuovi materiali superconduttori con proprietà intrinseche ottimizzate, in forma bulk e di strati sottili. Studio della dinamica reticolare mediante spettroscopia Moessbauer ed EXAFS. In particolare l interesse è principalmente rivolto all analisi delle anarmonicità vibrazionali sia di bassa che di alta temperatura dei vari costituenti atomici. Come ulteriore tema, saranno considerati i dispositivi superconduttori (giunzioni Josephson) per lo studio del tunneling quantistico macroscopico (MQT). progetto 1_7_7: metodologie diagnostiche avanzate; in questo campo giocano un ruolo fondamentale le grandi installazioni nella neutronica e nella luce di sincrotrone. Il CNR ha realizzato diversi spettrometri per neutroni, sia presso il Rutherford Appleton Laboratory (RAL) che presso il laboratorio ILL di Grenoble, ed ha partecipato alla realizzazione della facility di luce di sincrotrone Elettra di Trieste ed ESRF di Grenoble. Tali attività sono in profonda espansione a livello internazionale ed il CNR è già pronto come promotore o primo attore nelle iniziative future a breve o lungo termine. Il CNR per le sue caratteristiche interdisciplinari si propone di svolgere un ruolo fondamentale soprattutto per la parte di realizzazione degli apparati sperimentali e per la parte di utilizzazione, coinvolgendo la componente fisica, chimica, medica e biologica dei propri istituti che, per le 50 CNR Piano Triennale

17 Area scienze di base aree progettuali loro competenze, potrebbero essere gli utenti principali delle suddette iniziative.tra queste sottolineiamo: a : sincrotrone; acquisizione di parte del pacchetto azionario della Società Sincrotrone Trieste appartenente alla regione Friuli Venezia Giulia; b : cristallografia; realizzazione di un laboratorio di appoggio alle attività per luce di sincrotrone nel campo della biofisica, e più specificamente per la cristallografia delle proteine; c : raggi X; realizzazione di una sorgente di luce di sincrotrone nel campo dei raggi-x, di altissima brillanza da realizzarsi in Italia in accordo con l INFN, l ENEA ed altre istituzioni italiane valorizzando gli investimenti dedicati alla realizzazione di Elettra; d : neutroni; partecipazione alla realizzazione della sorgente per neutroni pulsata europea. Sulla problematica della strumentazione neutronica il coinvolgimento degli Istituti del CNR è notevole anche in riferimento al progetto ESS ed alla progettata sorgente pulsata americana (SNS). e : strumentazione per misure di suscettività magnetica per lo studio delle caratteristiche isteretiche di film sottili; f : tecniche spettroscopiche; g : materiali funzionali; h : cibernetica; i : interazioni delle onde elettromagnetiche con la materia; l : tecniche di attivazione neutronica applicate all analisi di radionuclidi; m : superfici;caratterizzazione e studio di proprietà magnetiche, strutturali, dinamiche di superfici e film ultrasottili. Istituti coinvolti nell area progettuale Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi Catania IMM; Istituto di Fotonica e Nanotecnologie Roma IFN; Istituto di Metodologie Inorganiche e dei Plasmi Roma IMIP; Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa IPCF; Istituto di Struttura della Materia Roma ISM; Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati Roma ISMN; Istituto per l Energetica e le Interfasi Padova IENI; Istituto dei Materiali per l Elettronica e il Magnetismo Parma IMEM; Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara Firenze IFAC; Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari Milano - ISTM; Istituto di Chimica Inorganica e delle Superfici Padova ICIS; Istituto per lo Studio delle Macromolecole Milano ISMAC. Relazione con gli indirizzi programmatici e le priorità della politica scientifica nazionale I progetti sopra riportati, che già sono compresi nell attuale Programma Strategico Nanotecnologie, Microtecnologie e Sviluppo integrato dei materiali, potranno trarre grandi vantaggi dalla realizzazione della Grande Infrastruttura di Ricerca Laser ultrabrillante pulsato a raggi X, in fase di approvazione, rientrano nell area prioritaria Nanoscienza e sono coerenti CNR Piano Triennale