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Claudio Zannoni

Professore ordinario

Dipartimento di Chimica Industriale "Toso Montanari"

Settore scientifico disciplinare: CHIM/02 CHIMICA FISICA

Temi di ricerca

Parole chiave: cristalli liquidi spettroscopia ESR simulazioni al calcolatore simulazioni atomistiche nanotecnologia dinamica molecolare colloidi fluorescenza depolarizzata modellazione molecolare Monte Carlo elettronica organica display risonanza magnetica nucleare

Le principali linee di ricerca riguardano il raggiungimento di una migliore comprensione dei meccanismi che regolano la formazione di strutture specifiche e le proprieta' statiche e dinamiche in materiali liquido cristallini a basso e alto peso molecolare. Le tecniche spaziano dai metodi teorici e di simulazione al calcolatore Monte Carlo e molecular dynamics atomistiche e coarse grained, alla spettroscopia ESR, NMR ecc.. L'attivita' di ricerca teorica riguarda l'esecuzione di simulazioni al calcolatore per la determinazione di transizioni di fase, ordine a corto e lungo raggio, organizzazioni molecolari in sistemi macroscopici liquido cristallini uniassiali, biassiali, associati, polari, confinati in film sottili, e con fibrille polimeriche disperse. La ricerca sperimentale riguarda studi con tecnica spin probe ESR di materiali confinati (filled nematics, cristalli liquidi dispersi in polimeri (PDLC, H-PDLC)) e, piu' recentemente, di cristalli liquidi fotoresponsivi drogati con derivati azobenzenici o nanoparticelle.

La maggior parte delle attività di ricerca del Prof. C. Zannoni e del suo gruppo riguarda lo studio dei cristalli liquidi (LC) e dei materiali anisotropi utilizzando modelli teorici, simulazioni al calcolatore e varie tecniche spettroscopiche. Questa attività ha portato alla pubblicazione di circa 250 lavori su riviste internazionali (H-index=40) o in libri multi-autore, in particolare su: modellazione e simulazioni al calcolatore (Monte Carlo, molecular dinamics) sia su modelli a reticolo (Lebwohl-Lasher), che a risoluzione molecolare (Gay-Berne) e atomistica, e teorie statistiche di cristalli liquidi in massa o confinati.

 

I modelli a reticolo sono usati per studiare le proprietà orientazionali e le transizioni di fase per una varietà di sistemi in massa, 3D, 2D, e 1D, ma anche per modellare display LC e per simulare difetti di goccioline e film ibridi anche in presenza di campi esterni. Sono stati studiati sistemi nanoconfinati, in particolare gli effetti dell'ordine e della memoria indotta dalla presenza di nanoparticelle e fibrille polimeriche disperse in nematici. Abbiamo studiato optical textures al microscopio polarizzatore di nematici uniassiali e biassiali e stiamo generalizzando a film e sistemi nanoconfinati piu' complessi queste simulazioni.

 

I sistemi Gay-Berne (GB) sono basati su modelli a risoluzione molecolare utilizzati per studiare varie fasi anisotrope in massa e le loro transizioni di fase, e per modellare proprietà di cristalli liquidi originate da semplici cambiamenti nella struttura molecolare, in particolare a causa di variazioni di forma (allungata, discotica, rastremata, a scodella) o effetti elettrostatici. Abbiamo simulato a livello molecolare display a cristalli liquidi e sviluppato versioni generalizzate del potenziale GB che considerano forme uniassiali, chirali, soffici e deformabili. Usando questi modelli siamo riusciti a simulare nematici biassiali termotropici e nematici ferroelettrici progettati a partire da molecole rastremate combinando opportunamente le interazioni repulsive ed attrattive. Abbiamo ulteriormente esteso il modello GB per modellare polimeri LC ed elastomeri massivi e nanoconfinati usando modelli anisotropi con catene o reticoli di mesogeni GB collegati da molle a rappresentare i legami. Siamo ora interessati allo studio di: (1) LC con l'inclusione di nanoparticelle, fullerene e nanotubi; (2) simulazione delle proprietà di bagnabilità di superfici.

 

Simulazioni atomistiche di cristalli liquidi. Modelliamo la geometria e la distribuzione di carica di molecole liquido cristalline con tecniche di chimica quantistica per poi simulare e prevedere, mediante simulazioni di dinamica molecolare, le loro proprietà e transizioni di fase. Recentemente siamo riusciti ad ottenere temperature di transizione di fase di LC, ed a riprodurre e prevedere per la prima volta le proprietà dettagliate di cristalli liquidi (ad es. cianobifenili) ed il loro allineamento vicino a superfici solide (silicio, vetro). Abbiamo anche studiato mediante simulazioni atomistiche una varietà di materiali funzionali organici per applicazioni in elettronica organica, investigando il rapporto tra trasporto di energia e/o di carica e l'organizzazione molecolare.  Siamo ora interessati ad estendere l'attività predittiva atomistica su altre interfacce solide e liquide. Riguardo le applicazioni in elettronica organica siamo particolarmente interessati anche al processo di ordinamento indotto da superfici e sulle proprietà che ne scaturiscono.

Abbiamo sviluppato teorie e metodologie di analisi dati per lo studio e la caratterizzazione di materiali liquido cristallini, compresi polimeri e membrane lipidiche, con varie tecniche: depolarizzazione di fluorescenza, ESR, NMR, rilassamento dielettrico, in particolare per la determinazione dei loro parametri d'ordine e delle proprietà dinamiche. Siamo ora interessati a utilizzare metodi ESR basati su sonde paramagnetiche (spin probe) per studiare fasi nematiche con nanoparticelle disperse ed esaminare le variazioni nell'ordine e nella dinamica cosi' indotti.


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