L'attività
scientifica di Alberto Credi ha come denominatore comune la
progettazione e lo studio fotofisico, fotochimico ed elettrochimico
di sistemi molecolari e supramolecolari in grado di svolgere
funzioni utili anche complesse e che, quindi, possono essere visti
come veri e propri dispositivi e macchine a livello molecolare.
Il profilo scientifico e l'elenco completo delle pubblicazioni (PDF, 1MB) è disponibile qui.
L'attività di ricerca può essere ricondotta a tre temi principali:
1.
Macchine e motori molecolari artificiali
Questa linea di ricerca riguarda la progettazione, la
sintesi e lo studio di sistemi multicomponente (nella maggior parte
dei casi rotassani, catenani e specie correlate) capaci di compiere
movimenti meccanici dei loro componenti molecolari in risposta a
stimoli esterni (aggiunta di reagenti chimici, applicazione di
potenziali elettrici, irradiazione luminosa). Gli studi si riferiscono in particolare all'utilizzo della luce come fonte di energia, e alla possibilità di sviluppare sistemi che siano in grado di funzionare in maniera autonoma lontano dall'equilibrio dissipando l'input energetico esterno. L'obiettivo è quello
di costruire nanodispositivi meccanici in grado di compiere
funzioni utili, come il controllo della permeabilità di membrane,
la cattura ed il rilascio di altre molecole, fino all'attuazione
meccanica su scala micro- e macroscopica (muscoli molecolari) e alla conversione dell'energia solare (utilizzo della luce per creare gradienti di concentrazione mediante pompe molecolari).
2. Sistemi
molecolari e supramolecolari per l'elaborazione di
informazioni
Questa linea di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di
sistemi chimici in grado di raccogliere, elaborare ed immagazzinare
informazioni, e si colloca nell'approccio “dal basso” al problema
della miniaturizzazione. Ci si aspetta che tale approccio, con il
quale è possibile costruire dispositivi di dimensioni nanometriche,
non raggiungibili con l'attuale tecnologia “dall'alto”, permetta
non solo di ridurre le dimensioni e di aumentare le prestazioni dei
calcolatori, ma anche di aprire la strada a nuove tecnologie capaci
di rivoluzionare la medicina, di produrre una grande varietà di
nuovi materiali, di fornire nuove risorse energetiche e di
risolvere il problema dell'inquinamento ambientale. Fra i sistemi
esaminati vi sono interruttori, fili, prese/spine, prolunghe,
memorie e circuiti logici molecolari.
3. Sintesi
e studio delle proprietà fotofisiche, fotochimiche ed
elettrochimiche di specie molecolari complesse, nanoparticelle e materiali
Questa linea di ricerca ha l'obiettivo di aumentare le
conoscenze di base sulle proprietà chimico-fisiche di molecole,
supermolecole, nanoparticelle e materiali. Fra gli argomenti studiati vi sono:
aspetti termodinamici e cinetici nelle reazioni di autoassemblaggio
di sistemi host-guest, reazioni di fotoisomerizzazione in specie di
tipo azobenzenico, proprietà fotofisiche e redox di molecole
organiche e complessi metallici, proprietà fotocatalitiche di
superfici nanostrutturate di biossido di titanio, proprietà
fotofisiche e redox di nanoparticelle inorganiche e loro
interazioni con specie molecolari, controllo di proprietà chimico-fisiche di materiali fotoreattivi mediante la luce.
Le linee di
ricerca sono rivolte alla progettazione e alla realizzazione di
specie supramolecolari in grado di svolgere funzioni utili
predeterminate. Questi studi sono di importanza fondamentale nei
campi delle nanoscienze e delle nanotecnologie, attualmente in
forte espansione, in relazione all'approccio "dal basso" per la
realizzazione di strutture funzionali di dimensioni nanometriche.
Gli obiettivi delle linee di ricerca presentate sono i
seguenti:
1. Ideare e
caratterizzare specie supramolecolari nelle quali alcuni componenti
molecolari possono essere messi in movimento rispetto agli altri
mediante opportuni stimoli esterni. Congegni di questo tipo,
attorno ai quali vi è attualmente un forte interesse, sono noti
come macchine molecolari. Gli stimoli impiegati per azionare tali
macchine molecolari sono di tipo luminoso, chimico o
elettrochimico. Le supermolecole più interessanti a questo
proposito sono pseudorotassani, rotassani, catenani, sistemi
host-guest, dendrimeri.
2. Ideare e
studiare sistemi molecolari e supramolecolari in grado di fornire
segnali di “output” in risposta a specifici segnali di “input”,
così da imitare le funzioni della logica binaria eseguite nei
circuiti elettronici. Fra i sistemi adatti a questo scopo vi sono
complessi host/guest, rotassani, dendrimeri, complessi metallici,
sistemi fotocromici ed elettrocromici, sistemi molecolari
multistato/multifunzionali.
3. Progettare e
realizzare specie supramolecolari in grado di raccogliere,
trasmettere, immagazzinare ed elaborare segnali luminosi. Fra
sistemi del genere vi sono antenne, fili, congegni presa/spina,
sistemi di tipo "prolunga", congegni per la separazione di carica,
sistemi multistato/multifunzione. Tali studi sono di importanza
basilare verso la costruzione di dispositivi per la conversione
dell'energia solare in energia chimica, nonché di congegni
ultraminiaturizzati per l'elaborazione delle informazioni (computer
chimici). Come specie chimiche adatte a questo scopo si possono
individuare dendrimeri, sistemi host-guest, rotassani, complessi
metallici polinucleari, sistemi fotocromici. Obiettivo comune alle
linee presentate è quello di passare, ove possibile, dallo studio
in soluzione alla caratterizzazione dei sistemi sviluppati su
superfici, nel tentativo di realizzare un "interfacciamento" tra il
mondo delle molecole e quello macroscopico. Tale aspetto può essere
esplorato attraverso il fissaggio delle specie supramolecolari
studiate su nanoparticelle o su superfici solide (ad esempio
mediante la preparazione di monostrati autoassemblati o di film di
Langmuir-Blodgett).
Per ottenere
specie supramolecolari in grado di compiere funzioni
predeterminate, ovvero aventi proprietà chimiche, fotochimiche ed
elettrochimiche desiderate, è di fondamentale importanza una
stretta collaborazione tra ricercatori in vari settori della
chimica (chimici di sintesi, chimici fisici) e in altri campi
(scienza dei materiali, fisica, biochimica, ingegneria,
informatica). I metodi più ampiamente utilizzati per la
caratterizzazione dei composti, dei loro componenti e di specie
modello saranno tecniche spettroscopiche di assorbimento e di
luminescenza in stato stazionario. Viene inoltre fatto uso di
tecniche spettroscopiche risolte nel tempo (laser flash photolysis,
shift di fase/modulazione, conteggio di fotone singolo, metodi
stopped-flow), allo scopo di investigare le dinamiche dei processi
indotti mediante stimolazione fotonica, elettrochimica o chimica. A
queste misure si aggiungono esperimenti di voltammetria e di
spettroelettrochimica, sia con elettrodi convenzionali che, se
necessario, con ultramicroelettrodi. Tali misure possono essere
accompagnate da simulazioni al calcolatore dei dati sperimentali
(curve voltammetriche, dati cinetici, titolazioni, ecc.) allo scopo
di risalire al meccanismo ed ai parametri rilevanti dei processi in
esame.
