Proposta di tesi. Supervisori: Prof. S. Agnoli Prof. V. Amendola

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1 Proposte di tesi Le aziende e i centri di ricerca, sia a livello nazionale che internazionale, richiedono con frequenza crescente personale con esperienza in tecnologie laser, nanotecnologie e nanoparticelle. Le mie proposte di tesi si inseriscono ottimamente in questo contesto, fornendo la possibilità di acquisire competenze avanzate, utili dopo la laurea sia nel caso si desideri proseguire l attività di ricerca in Italia o all estero, sia che si preferisca cercare lavoro nel settore produttivo. Per la descrizione delle proposte di tesi, si suggerisce di contattare di persona il docente ( ). Di seguito si riporta una descrizione a grandi linee degli argomenti proposti. Sintesi laser-assistita di nanoparticelle. Al giorno d'oggi, la ricerca e sviluppo di nuovi dispositivi coinvolge massicciamente l uso di nanoparticelle come elementi funzionali su superfici, in matrici solide e come materiali ibridi nanostrutturati, derivanti ad esempio da nanocompositi bioattivi, nanobiomarkers, agenti di contrasto per bioimaging, substrati catalitici, dispositivi fotovoltaici e biosensori. Tuttavia, solo una serie limitata di nanomateriali è raggiungibile a basso costo e tramite metodi di sintesi ecocompatibili, mantenendo allo stesso tempo tutte le altre proprietà richieste per l'integrazione in materiali funzionali avanzati. Ad esempio, i metodi chimici spesso lasciano delle impurità nelle soluzioni colloidali delle nanoparticelle, causati da additivi e sottoprodotti di reazione, e consentono solitamente di ottenere solo le fasi termodinamicamente stabili, precludendo la realizzazione di fasi metastabili. Negli ultimi anni, i metodi basati sul laser per la sintesi di nanomateriali in fase liquida hanno dimostrato di essere efficienti e versatili per generare, eccitare, frammentare, mescolare nanoparticelle di metalli nobili (oro, argento, rame, platino, palladio), di nano-leghe metalliche, di semiconduttori e di materiali ceramici. Questo metodo di sintesi innovativo comporta diversi vantaggi: - La sintesi laser è "self-standing" e richiede un apporto manuale limitato. - I precursori chimici non sono obbligatori, così i colloidi sono puri fino al 100% e il costo dei nanomateriali generati dal laser può essere molto inferiore rispetto ai metodi chimici. - La sintesi può essere compatibile con i 12 principi della "chimica verde". - La sintesi laser è un metodo versatile e può essere applicato universalmente con una varietà quasi illimitata di materiali e solventi. - Contrariamente alla produzione di nanopolveri in aria, le nanoparticelle disperse in fase liquida non sono inalabili e quindi portano ad un netto miglioramento della sicurezza sul lavoro. - Fasi metastabili possono essere realizzate, quali ad esempio nanoleghe che non sono accessibili con metodi chimici.

2 Inoltre, nanomateriali generati mediante laser hanno mostrato proprietà superiori rispetto alla sintesi convenzionale, come un più alto numero di biomolecole coniugate, migliorate prestazioni come substrati per spettrometria di massa a desorbimento laser (MALDI), e la sintesi diretta in soluzione polimerica permettendo l inclusione semplice in matrici polimeriche per la preparazione rapida di nanocompositi. In questo ambito, sono disponibili tesi di laurea dedicate alla realizzazione e caratterizzazione di nuovi tipi di nanoparticelle mediante sintesi laser assistita. In particolare è possibile sviluppare le seguenti tematiche: - Realizzazione di fasi nanostrutturate innovative quali leghe metastabili. - Studio delle proprietà di superficie di nanoparticelle di oro ottenute mediante ablazione laser. - Studio dei meccanismi di formazione delle nanoparticelle ottenute mediante sintesi laser. - Studio delle proprietà catalitiche e fotocatalitiche di nanoparticelle con strutture innovative ottenute mediante sintesi laser. Tipi di nanoparticelle: - perovskiti ibride per celle solari - oro e argento per fotonica e nanomedicina - leghe metalliche per fotonica avanzata, catalisi innovativa o applicazioni biomediche - ossidi catalizzatori o magnetici Sviluppo di agenti di contrasto nanostrutturati per l imaging biomedico multimodale. Le nanoparticelle hanno la capacità di concentrare una serie di funzioni molto diverse tra loro in un spazio molto piccolo. Inoltre, le ridotte dimensioni consentono alle nanoparticelle di viaggiare all interno del corpo umano, se opportunamente ingegnerizzate, fino ad accumularsi selettivamente in organi bersaglio. Una volta nel sito desiderato, le proprietà delle nanoparticelle possono essere utilizzate per finalità diagnostiche mediante tecniche convenzionali (risonanza magnetica nucleare, tomografia computerizzata) o avanzate (Raman imaging). Lo sviluppo di nanosistemi che fungano da agenti di contrasto multimodale e che abbiano tutte le caratteristiche necessarie per l applicazione nella pratica clinica rappresenta una delle tematiche di tesi disponibili sotto la mia supervisione (si veda anche link1 o link2). Cura e diagnosi del cancro mediante radiazione laser usando nanoparticelle come sensibilizzatori. La radiazione laser può essere applicata anche a grande distanza, può attraversare la materia ad essa trasparente, può essere accesa e spenta a piacimento e può entrare in risonanza solo con materiali aventi le giuste proprietà elettroniche: tutte queste caratteristiche la rendono uno strumento dalle enormi potenzialità per la diagnosi e la terapia del cancro. D altra parte, le nanoparticelle possono essere costruite in modo tale da

3 rispondere selettivamente alla radiazione laser, per generare una serie di fenomeni atti ad aiutare il lavoro dei chirurghi nella localizzazione, identificazione, terapia e persino distruzione dei tessuti tumorali, il tutto tramite l utilizzo di radiazione laser. In questo ambito, sono disponibili tesi di laurea sull ottimizzazione di nanosistemi per diagnosi e terapia del cancro mediante radiazione laser a varie lunghezze d onda. Proprietà plasmoniche e magneto-plasmoniche di nanoparticelle. Nelle nanoparticelle di metalli nobili, l oscillazione collettiva degli elettroni di conduzione diventa possibile mediante annichilazione di un fotone. Questo fenomeno, apparentemente di interesse limitato alla fisica dello stato solido, è in realtà alla base di una vasta serie di applicazioni nanotecnologiche che vanno dalla rivelazione di analiti con elevata sensibilità, alla fotocatalisi, agli effetti fototermici e molto altro. La realizzazione di nanoparticelle plasmoniche con strutture innovative, nonchè la modellizzazione delle proprietà plasmoniche mediante modelli numerici ed analitici, sono tra gli argomenti di ricerca più avanzati attualmente presenti nel settore delle nanotecnologie. In questo ambito, occupano una posizione di rilievo le nanoparticelle con composizione tale da consentire la coesistenza di proprietà magnetiche e plasmoniche esattamente nella stessa porzione nanometrica di spazio. Le proposte di tesi su questo argomento spaziano dunque dalla preparazione e caratterizzazione strutturale di nanoparticelle plasmoniche fino all uso di modelli avanzati per la predizione delle proprietà ottiche. Nanosistemi autoriparanti. Realizzare dispositivi in grado di riparare autonomamente i danni derivanti da usura e invecchiamento rappresenta un obiettivo primario della Scienza dei Materiali. Per quanto riguarda la Nanotecnologia, lo sviluppo di nanosistemi in grado di autoripararsi è stato teorizzato sin dalla sua nascita, nella celebre lezione divulgativa di Richard Feynman There s plenty of room at the bottom. Tuttavia, questo settore di ricerca è ancora nella sua fase embrionale. Una categoria particolare di nanomateriali autoriparanti riguarda i sistemi con proprietà ottiche, in quanto la luce può essere fonte di danneggiamento, ma anche stimolo per avviare la riparazione. In questo ambito, sono disponibili tesi di laurea dedicate allo sviluppo di sistemi autoriparanti a base di nanoparticelle con applicazioni pratiche in fotonica.

4 Proposta di tesi Supervisori: Prof. S. Agnoli Prof. V. Amendola () Lo studio di reazioni chimiche in spazi confinati rapresenta uno dei campi più innovativi della nanocatalisi. In particolare all interfaccia tra superfici metalliche e materiali a base di carbonio è stata documentata una reattività chimica eccezionale. Questa tesi si propone lo studio dell attività catalitica di nanosistemi di nanoparticelle metalliche (Co, Cu, Fe) avvolte da una shell grafenica nei confronti di una serie di reazioni eterogenee che vanno dall elettrochimica (reazione di riduzione di ossigeno ed evoluzione di idrogeno) alla catalisi termica (ossidazione della CO). Le nanoparticelle saranno ottenute mediante un approccio estremamente innovativo basato sulla sintesi laser assistita in liquidi organici. In tale sintesi, si utilizzano laser impulsati nel vicino infrarosso o nel verde per, rispettivamente, generare una sospensione colloidale di particelle e successivamente modificarne la composizione chimica e la struttura superficiale. Si prevede di utilizzare varie tecniche di caratterizzazione tra cui spettroscopie UV-visibile, Raman ed FTIR, microscopia elettronica in trasmissione (TEM) e in scansione (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), diffrazione a raggi X (XRD). Laser pulses Naked solution 2CO+O 2 => 2CO 2 CO oxidation reaction 2H + + 2e - => H 2 Hydrogen evolution reaction Metal/Graphenes core/shells

5 Come orientarsi. Per avere informazioni indicative sull impatto delle ricerche svolte e proposte da qualunque supervisore, è possibile considerare il suo h-index, il suo numero di citazioni, il numero di lavori pubblicati come primo autore o autore principale (corresponding author). Queste informazioni sono accessibili tramite i seguenti motori di ricerca: ö Author search [solo da rete di Ateneo]