66837 - SISTEMI E MATERIALI BIOMIMETICI, MOLECOLARI E NANOSTRUTTURATI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente acquisisce: - le conoscenze di base per progettare, realizzare e caratterizzare materiali molecolari e network di coordinazione in fase solida; - i concetti di base e gli approcci metodologici per la costruzione 'dal basso', cioè partendo dalle molecole ed utilizzando gli strumenti della chimica supramolecolare, di nanostrutture funzionali, quali dispositivi e macchine molecolari, dendrimeri, nanoparticelle e nanotubi, monostrati autoassemblati e film sottili; - i metodi di sintesi di materiali inorganici e di ibridi organici-inorganici basati sulle strategie proprie della chimica biomimetica, come ad esempio sintesi in ambiente pre-organizzato, sintesi su templato, morfosintesi, tettonica.

Contenuti

Modulo 1. Ingegneria cristallina (Prof. D. Braga)

Parte teorica

Modi diassemblaggio molecolare e ionico, relazione tra struttura del bulk e funzionalità molecolare. Costruzione bottom-up di materiali per applicazioni in magnetismo, ottica, fotonica, biotecnologia. Interazioni supramoleculari e preparazioni solvent-free di solidi cristallini. Il polimorfismo e le diverse forme cristalline. Più in dettaglio: Crystal engineering – cenni storici. La “crystal engineering” di Schmidt – l'intersezione supramolecolare.Gli strumenti della ingegneria cristallina – le banche dati – la diffrazione – la calorimetria- la termogravimetria – altre tecniche – richiami. Le interazioni deboli nei solidi cristallini. Il legame a idrogeno. Il legame di coordinazione – i MOF. Le interazioni ioniche. Il polimorfismo – la nemesi dell'ingegneria cristallina. Le forme cristalline – solvati, idrati
Co-cristalli. Aspetti applicativi: gas storage, materiali magnetici, farmaci e aspetti brevettali, reazioni solido-solido e solido-gas

Laboratorio

-Utilizzo della banca dati Conquest per lo studio del legame idrogeno-Preparazione di diverse forme polimorfe di un principio attivo farmaceutico e sua caratterizzazione con diffrazione di raggi X di polveri e di cristallo singolo, DSC e TGA.- risoluzione di una struttura cristallina-Elaborazione dati e rappresentazione delle strutture utlizzando il programma Mercury.

Modulo 2. Nanotecnologia molecolare (Prof. A. Credi)

Definizione di nanotecnologia e di nanostrutture. Approcci “top-down” e “bottom-up” per la costruzione di nanostrutture. Cenni sui principali metodi “top-down” (ad esempio, fotolitografia e litografia soft). Sintesi “bottom-up” di nanostrutture mediante autoassemblaggio di specie molecolari. Sintesi di nanoparticelle. Cenni sulle tecniche di indagine a risoluzione nanometrica (microscopie a sonda, microscopie ottiche, metodi elettrochimici) e sulle tecniche di nanomanipolazione. Introduzione ai congegni molecolari. Sistemi supramolecolari artificiali per la conversione dell'energia e per l'immagazzinamento e l'elaborazione di informazioni. Elettronica molecolare. Nanotubi di carbonio: proprietà e applicazioni. Cenni sul DNA computing.Macchine e motori molecolari. Concetti di base. Esempi di congegni, macchine e motori molecolari del mondo biologico. Sistemi “ibridi”, basati sulla ingegnerizzazione di macchine biologiche e sull'interfacciamento fra congegni molecolari naturali ed artificiali. Motori basati sul DNA. Dalle nanostrutture alle microstrutture ed ai materiali macroscopici: film di Langmuir-Blodgett, monostrati autoassemblati su superfici metalliche e semiconduttrici, derivatizzazione chimica di superfici, funzionalizzazione di nanoparticelle. Aspetti applicativi attuali e futuri (ad esempio celle solari, materiali per la memorizzazione di informazioni, chemosensori, sistemi per il rilascio controllato di farmaci e per la separazione e l'analisi di sostanze chimiche).

Modulo 3. Materiali biomimetici (Prof. A. Bigi)

Processi di biomineralizzazione: principi generali; principali tecniche d'indagine. Biominerali: tipi e funzioni, carbonati di calcio, fosfati di calcio, silicati, ossidi ed idrossidi di ferro. Principali tipi di controllo che condizionano i processi di biomineralizzazione: nucleazione e crescita cristallina; controllo strutturale, morfologico e supramolecolare; ruolo della matrice organica nei diversi stadi che portano alla formazione dei tessuti biomineralizzati.
Metodi di sintesi di composti inorganici e di compositi organici-inorganici ispirati ai principi della chimica biomimetica: materiali nanostrutturati; materiali autoassemblati; crescita di cristalli inorganici su matrici funzionalizzate; sintesi di composti inorganici e di ibridi organici-inorganici con struttura, morfologia ed orientamento controllati.
Sintesi, proprietà e struttura di materiali biocompatibili e bioattivi con peculiari proprietà applicative nel settore dei biomateriali per la sostituzione e la riparazione di tessuti duri.

Testi/Bibliografia

Materiale fornito dal docente.

J.-M. Lehn, Supramolecular Chemistry – Concepts and Perspectives, VCH, Weinheim, 1995.- V. Balzani, A. Credi, M. Venturi, Molecular Devices and Machines – Concepts and Perspectives for the Nanoworld, Wiley-VCH, Weinheim, 2008. -D. S. Goodsell, Bionanotechnology: Lessons from Nature, Wiley, New York, 2004.

S. Mann "Biomineralization" Oxford Chemistry Masters, oxford University Press 2001
Appunti di lezione ed ulteriori indicazioni supubblicazioniutili alla preparazione dell'esame verranno forniti durante il corso.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale

Strumenti a supporto della didattica

Powerpoint e lucidi

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Adriana Bigi

Consulta il sito web di Dario Braga

Consulta il sito web di Martin Ulrich Schmidt

Consulta il sito web di Alberto Credi