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Un elettrone (rosso) lungo un nanotubo di carbonio è 'legato' alla buca (blu) che si lascia dietro e forma un eccitone.

Uno studio Cnr rivela che in questi cilindri ottenuti arrotolando il grafene, con raggio di pochi nanometri e lunghi quanto il diametro di un capello, si realizza l’isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo convincente. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, aiuta a far luce sulla natura isolante o conduttiva dei nanotubi di carbonio

 

Ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) hanno mostrato che nei nanotubi di carbonio si realizza spontaneamente un nuovo stato quantistico della materia, detto isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo definitivo. Lo studio, condotto in collaborazione con Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), Istituto officina dei materiali (Iom-Cnr) e Istituto struttura della materia (Ism-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche, è stato pubblicato su Nature Communications.

I nanotubi di carbonio sono cilindri ottenuti dal grafene, materiale bidimensionale composto da un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo che, una volta arrotolato, forma tubi con raggio di pochi nanometri (un nanometro è pari a un miliardesimo di metro) e lunghi quanto il diametro di un capello. Finora il comportamento di una classe importante di nanotubi, in grado di condurre corrente elettrica, si spiegava supponendo che gli elettroni degli atomi di carbonio si muovessero facilmente e indipendentemente uno dall’altro per tutta la lunghezza, cioè che il materiale si comportasse come un metallo. I ricercatori di Nano-Cnr hanno invece dimostrato che quando un elettrone abbandona un atomo di carbonio non si muove liberamente ma si lega con la buca che lascia dietro di sé, formando una particella composita fatta dall’elettrone e dalla buca, detta eccitone.

Dettaglio del setup sperimentale del laboratorio di fotonica avanzata nel centro Nanotec-Cnr di Lecce. A destra, progressiva formazione ed estensione della fase ordinata di un condensato di luce.

 

Una ricerca condotta dai ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Cnr rivela la formazione spontanea di ordine topologico in un sistema fotonico. In pratica, le interazioni sono in grado di 'sintonizzare' spontaneamente i fotoni fra loro, neutralizzando la dissipazione energetica. Il lavoro, pubblicato su Nature Materials, contribuisce all’espansione del moderno campo di ricerca in fluidi quantistici di luce

 

Uno studio condotto recentemente dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Nanotec-Cnr) di Lecce rivela che i fotoni, ovvero particelle di luce, si possono ‘sintonizzare’ spontaneamente fra loro, quando l’interazione è sufficientemente forte, formando ordine là dove non ce ne dovrebbe essere. Questo significa che uno dei risultati più importanti della fisica del secolo scorso, ovvero la scoperta di un ordine ‘topologico’ della materia, premiato dal Nobel 2016, viene esteso a sistemi fatti di luce e potrebbe diventare la base per future tecnologie. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Materials.

“La meccanica statistica pone condizioni precise affinché queste ‘transizioni di fase’ possano essere osservate in natura. Una transizione di fase avviene quando, al variare di un parametro (di solito la temperatura) cambiano improvvisamente le relazioni fra i costituenti elementari di un sistema”, spiega Daniele Sanvitto, coordinatore del gruppo di fotonica avanzata del Nanotec-Cnr di Lecce. “Per esempio, nel passaggio da una fase più ordinata (liquido) ad una più disordinata (gassoso), oppure nell’emergere di un ordine reticolare nei cristalli o nell’allineamento dei campi magnetici microscopici in un ferromagnete. Ciò è vero anche a livello quantistico: in un condensato di Bose-Einstein, ogni atomo diventa indistinguibile dagli altri al di sotto di una certa temperatura. Ma le transizioni di fase dipendono fortemente dalla dimensionalità del sistema e in sistemi bidimensionali, ovvero confinati in uno spazio a sole due dimensioni, le fasi ordinate sono instabili anche a temperature molto basse favorendo la formazione di strutture disordinate. In questi sistemi esiste però una fase particolare chiamata ‘ordine topologico’, in cui le irregolarità di segno opposto si neutralizzano a vicenda, simmetricamente, e rimangono localizzate in punti spaziali relativamente piccoli, annullando gli effetti a lunga distanza”.

 

Pubblicato su Science uno studio che svela i meccanismi catalitici del nichel nella crescita di fogli di grafene. La ricerca, realizzata da Iom-Cnr e Università di Trieste, apre nuove strategie per migliorare la produzione a livello industriale di questo materiale dalle molteplici virtù

 

Il grafene è un materiale bidimensionale, composto da uno strato di atomi di carbonio, quindi sottilissimo ma anche flessibile come la plastica e con una resistenza meccanica cento volte superiore all’acciaio. Per questo è considerato praticamente perfetto per molteplici usi nel campo industriale e tecnologico, tuttavia la difficoltà di produzione ne rende l’utilizzo estremamente costoso. Uno studio condotto dall’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Trieste (Iom-Cnr) e dal dipartimento di Fisica dell’Università degli studi di Trieste, ora pubblicato su Science, individua il meccanismo di accrescimento del grafene sulla superficie di un comune metallo, il nichel, aprendo nuove possibilità nelle tecnologie di produzione. “Sappiamo che sulle superfici metalliche sono presenti singoli atomi, liberi di muoversi agilmente e che partecipano a molti dei processi che avvengono sulle superfici stesse”, spiega Cristina Africh, dell’Iom-Cnr. “Nel nostro studio abbiamo evidenziato che, in un campione di nichel utilizzato per la generazione di grafene, sono proprio gli atomi liberi del nichel ad agire da catalizzatori, facilitando il processo di formazione del grafene”.

Immagine: Reticolo di Bragg in fibra - Credits: Maria Konstantaki, Foundation of Research and Technology – Hellas 

I reticoli di Bragg in fibra vengono utilizzati per trasformare una fibra ottica in un elemento sensibile in grado di riflettere una specifica lunghezza d'onda nella direzione da cui proviene. I nuovi reticoli di Bragg in fibra ottica bioriassorbibile possono essere utilizzati come sensori nel corpo e sono sicuri anche se la fibra dovesse rompersi accidentalmente all'interno del corpo del paziente.

 

Una nuova generazione di sensori ottici che hanno la capacità di dissolversi completamente all'interno del corpo umano in maniera controllata e senza effetti collaterali, grazie all’impiego dei cosiddetti “reticoli di Bragg in fibra” (Fiber Bragg Gratings, abbreviati con FBG). Il lavoro di ricerca pubblicato sulla rivista scientifica Optics Letters è stato realizzato da un team internazionale composto da ricercatori del Centro Interdipartimentale PhotoNext del Politecnico di Torino e dell’Istituto Superiore Mario Boella (Torino) in collaborazione con i ricercatori dell’Institute of Electronic Structure and Laser (IESL) della Foundation of Research and Technology – Hellas (FORTH), di Creta.

La ricerca segna un passo avanti importante nello sviluppo di sensori ottici impiantabili, combinando le caratteristiche uniche di una fibra di vetro progettata per essere bioriassorbibile e gli FBG, che funzionano da sensori ottici di temperatura e deformazione. Questi ultimi sono solitamente impiegati per applicazioni quali il monitoraggio delle strutture dei ponti o dell'integrità delle ali di un aeroplano, ma il loro impiego in ambito biomedicale è reso difficile a causa dei materiali usati nelle fibre ottiche standard. Questo perché le fibre ottiche tradizionali a base di silicio se si rompono all’interno del corpo possono causare infiammazioni locali acute molto gravi e non sono rimovibili.

 

 

 

L’Icar-Cnr ha progettato un sistema intelligente per il controllo decentrato in tempo reale delle reti di drenaggio urbano, al fine di mitigare i danni prodotti da allagamenti ed eventi piovosi estremi. Lo studio, condotto in collaborazione con il Dipartimento di ingegneria civile dell’Università della Calabria e il Comune di Cosenza con il supporto del progetto Pon Res-Novae, è stato pubblicato su Jnca

 

Durante eventi piovosi intensi, gli allagamenti prodotti dalla saturazione della rete di drenaggio ed il sovraccarico degli impianti di depurazione rappresentano un potenziale rischio per la vita umana, le risorse economiche e l’ambiente. Secondo una ricerca pubblicata sulla rivista Journal of Network and Computer Applications (Jnca) le applicazioni dell’Internet of Things (IoT) possono essere d’aiuto per prevedere, gestire ed arginare questo genere di fenomeni.

“Nell’articolo proponiamo di dotare le condotte delle reti di drenaggio di sensori e paratoie elettromeccaniche intelligenti, coordinate da un algoritmo di consenso decentralizzato e controllate localmente attraverso un regolatore che consente di definire il grado di apertura della paratoia in modo da regolarne il deflusso e la portata dell’acqua nella condotta, spiega Andrea Vinci, ricercatore dell’Icar-Cnr e tra gli autori dello studio. “Per mitigare tali fenomeni, i sistemi distribuiti di controllo in tempo reale rappresentano una soluzione valida e conveniente. Il metodo mira a ottimizzare la capacità di invaso della rete di drenaggio urbano, in modo da utilizzare le porzioni più scariche per accumulare gli eccessi ed evitare allagamenti e sovraccarico degli impianti di depurazione a valle della rete. L’approccio decentrato permette al sistema di superare guasti ed ostruzioni in punti specifici delle condotte”.

Ottenuto un Proof of concept da 150.000 Euro dall’UE Milano

Ricerca di base e mercato non sono poi così distanti, se l’idea nata in laboratorio è davvero buona. Lo dimostra la storia di MINIRES, una nuova molecola (bioelastomero) utilizzabile dalla cosmetica al settore biomedicale, di semplice struttura chimica, facile da produrre e a bassi costi.

Già vincitrice nel 2017 di Switch2Product – Innovation Challenge, MINIRES ha ottenuto un nuovo importante riconoscimento, stavolta a livello europeo. La tecnologia sviluppata da Pierangelo Metrangolo, Francesca Baldelli Bombelli e Andrea Pizzi del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "Giulio Natta" del Politecnico di Milano è risultata infatti vincitrice di un finanziamento Proof-of-Concept dell'European Research Council per un totale di 150.000 Euro. I Proof – of-concept sono specificamente erogati per dare ai ricercatori la possibilità di trasformare le loro invenzioni in prodotti commerciabili.

“MINIRES può essere utilizzato come agente di formulazioni cosmetiche, in applicazioni biomedicali, per la produzione di supporti per l’ingegneria tissutale, la medicina rigenerativa per la creazione di tessuti e vasi sanguigni artificiali, per il rilascio modificato di farmaci e nella realizzazione di polimeri avanzati come elastomeri termoplastici”, spiega Pierangelo Metrangolo. MINIRES rappresenta una geniale evoluzione degli elastomeri convenzionali, sostanze che hanno le proprietà chimico-fisiche tipiche del caucciù, in particolare la capacità di subire grosse deformazioni riassumendo la propria dimensione una volta tornati “a riposo”. La nuova molecola è ispirata alla resilina, una particolare proteina elastomerica naturale di cui sono costituite le strutture flessibili degli insetti, la cui struttura chimica conferisce ai materiali eccezionali proprietà elastiche. Minires sfida i pochissimi macro - produttori che detengono più della metà del mercato mondiale nella produzione di elastomeri comuni introducendo una molecola più economica e più performante. “Il proof of concept appena ottenuto valida la nostra idea a livello imprenditoriale – continua Metrangolo – siamo già al lavoro per rendere la nostra molecola ancora più appetibile per aziende o investitori privati o di venture capital”

 

'Una goccia di polimero liquido illuminata da un fascio laser visibile’


Una ricerca dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr ha dimostrato la possibilità di intrappolare un fascio luminoso al suo interno e di eccitare onde acustiche di superficie con le caratteristiche di emissione intensa e coerente di un laser. Lo studio delle onde così generate permette di analizzare il liquido utilizzato, di natura biologica e non, con importanti ricadute in ambito medico, chimico e ambientale. I risultati sono pubblicati su Physical Review Letters

 

Una ricerca dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr) di Napoli ha mostrato la possibilità di realizzare un vero e proprio laboratorio all’interno di una goccia liquida generando onde ad altissima frequenza sulla superficie delle stesse. Lo studio, svolto in collaborazione con il Technion Israel Institute of Technology di Haifa, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters in evidenza come Editor’s Suggestion.
“Le onde generate sulla superficie della goccia hanno le stesse caratteristiche di emissione intensa e coerente di un laser, ma corrispondono in questo caso a vibrazioni ad alta frequenza, nel range ultrasonico-ipersonico, anziché a fotoni”, commenta Gianluca Gagliardi, ricercatore Ino-Cnr. “Il risonatore optomeccanico così realizzato si comporta come un vero e proprio micro-oscillatore, pur essendo costituito interamente da liquido mantenuto in forma sferica dalla sola tensione superficiale, che garantisce una regolarità superficiale quasi perfetta rendendo la goccia così un risonatore ottico ideale. Quando la quantità di liquido in gioco è inferiore a un determinato livello, tipicamente un microlitro (un milligrammo), la forza di gravità ha un effetto sostanzialmente trascurabile rispetto alla tensione e quindi la goccia può essere manipolata agevolmente e tenuta sospesa ad un capillare o poggiata su una superficie senza che questo perturbi in modo importante la sua sfericità. In questo modo, un oggetto così semplice e comune in natura viene trasformato in un sofisticato elemento ottico, al pari di un dispositivo costituito da materiale solido, come lenti e specchi”.
La gocciolina “in virtù della sua perfezione e della trasparenza del liquido consente, se illuminata da un laser in direzione tangenziale, di mantenere la luce intrappolata lungo traiettorie equatoriali per un tempo migliaia di volte più lungo che in condizioni normali”, continua il ricercatore. “Non solo. La goccia si comporta come risonatore acustico in cui parte dell’energia trasportata dalla luce si trasferisce alla superficie per eccitare onde ultrasoniche e ipersoniche, amplificate al suo interno come nella cupola di una chiesa”.

 

 

Un studio coordinato dall’Università di St. Andrews (Uk) e svolto in collaborazione con lo Iom-Cnr di Trieste, il Max Planck Institute di Dresda e l’Università di Heidelberg ha mostrato come implementare, grazie alle proprietà energetiche delle superfici, l’efficienza di dispositivi che fanno uso della spintronica. Il lavoro, pubblicato su Nature, aprirà la strada a innovazioni nel campo delle nanotecnologie

 

Le superfici dei materiali presentano caratteristiche uniche perché gli elettroni si comportano in maniera molto differente rispetto alla struttura interna. Per esempio è possibile che un materiale completamente isolante abbia una superficie conduttrice o viceversa. Uno studio internazionale che coinvolge l’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche (Iom-Cnr) di Trieste mostra come impiegare queste diverse caratteristiche nel campo delle nanotecnologie. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nature, è stato coordinato dall’Università di St. Andrews (Uk) e svolto in collaborazione con il Max Planck Institute di Dresda, l’Università di Heidelberg. “Le proprietà di superfici dei materiali mostrano comportamenti molto interessanti. Nella nostra ricerca ne facciamo uso per implementare un campo di ricerca innovativo: la spintronica, che utilizza le proprietà dello spin, una forma di momento angolare associato in meccanica quantistica a tutte le particelle costituenti la materia”, spiega Ivana Vobornik, ricercatrice Iom-Cnr. “Mentre, i dispositivi elettronici si basano sull’abilità di manipolare la posizione degli elettroni grazie a un campo elettrico, in maniera analoga, i dispositivi che utilizzano la spintronica si basano sulla possibilità di manipolare lo spin delle particelle utilizzando un campo magnetico, con il risultato di trasferire ed archiviare dati in maniera molto più efficiente e veloce”.


Al via la missione coordinata dal Politecnico di Torino per svelare grazie al geo-radar il mistero di una delle tombe più affascinanti e discusse della Valle dei Re


Dopo quasi un anno di attesa, i ricercatori di Archeo-Fisica del Politecnico di Torino hanno finalmente ottenuto il via libera dall’Egitto per le misure geo-radar decisive dall’interno della Tomba di Tutankhamun (in codice: KV62) nella Valle dei Re a Luxor. Le misure saranno condotte tra il 31 gennaio e il 6 febbraio 2018 e avranno l’obiettivo di verificare l’eventuale presenza di spazi vuoti e/o di corridoi nascosti dietro le pareti della camera funeraria di Tutankhamun. Secondo una teoria avanzata dall’egittologo inglese Nicholas Reeves, la tomba KV62 potrebbe essere, infatti, parte di una più ampia tomba appartenente forse alla Regina Nefertiti. Secondo il professor Franco Porcelli, coordinatore del gruppo di ricerca che fa capo al Politecnico di Torino, i tre diversi sistemi radar di ultima generazione che saranno utilizzati sono in grado di fornire una risposta sicura al 99% riguardo all’esistenza di strutture nascoste di rilevanza archeologica adiacenti alla tomba di Tutankhamun.

Avere celle solari così sottili ed efficienti da poter essere inserite in tende o indumenti… ora questa possibilità è più vicina grazie al lavoro di ricerca dell’Università di Cambridge. Il Gruppo guidato dal prof. Richard Friend ha condotto gli studi in questo campo presso la facility europea CUSBO del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, parte del network Laserlab-Europe. La fruttuosa collaborazione tra Politecnico e Cambridge ha permesso di studiare celle fotovoltaiche basate su un materiale chiamato “perovskite”, che consente di realizzare celle mille volte più sottili di quelle al silicio, rendendole quindi molto flessibili e potenzialmente più efficienti. Quando la luce solare colpisce una cella fotovoltaica, le particelle di luce (o fotoni), vengono convertite in elettroni. I ricercatori hanno misurato per quanto tempo gli elettroni prodotti mantengono i loro più alti livelli di energia (elettroni caldi) prima di scontrarsi e perderla. Dopo che la luce è stata inizialmente assorbita dalla cella lo studio ha rivelato che gli eventi di collisione fra elettroni iniziano a verificarsi tra 10 e 100 milionesimi di miliardesimo di secondo (femtosecondi).

 

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