Argomenti di ricerca che possono costituire oggetto di tesi di laurea specialistica

• Interazione di nanoparticelle di ceria con sistemi biologici e loro utilizzo nella terapia di malattie neurodegenerative

Le nanoparticelle di ceria (CNP) presentano una notevole attività antiossidante accoppiata ad una bassa tossicità. Queste caratteristiche le rendono particolarmente interessanti per lo sviluppo di nanofarmaci innovativi per il trattamento di malattie neurodegenerative associate alla presenza di elevati livelli di radicali liberi. Il progetto di tesi ha lo scopo di sintetizzare CNP variamente stabilizzate e funzionalizzate, di valutare il meccanismo di interazione con i sistemi biologici in vitro e la loro possibile attività terapeutica. Ulteriori informazioni si possono trovare a questa pagina.

• Sviluppo di nanoparticelle multifunzionali contenenti boro per trattamento di tumori mediante Boron Neutron Capture Terapy  (BNCT)

La BNCT è un tipo di radioterapia innovativa che si basa sull’utilizzo di neutroni in alternativa alle radiazioni ionizzanti. La tecnica si basa sul principio che neutroni di energia adeguata possono essere catturati da atomi di ¹⁰B producendo particelle alfa che producono un danno localizzato a livello cellulare. Presupposto per l’applicazione di questa tecnica è quindi costituito dalla possibilità di arricchire il tessuto tumorale di atomi di ¹⁰B rispetto al tessuto normale. Nel nostro approccio questo arricchimento viene realizzato utilizzando nanoparticelle di composti del boro (principalmente B₄C) che vengono opportunamente stabilizzate e funzionalizzate per consentire una buona tolleranza biologica e una elevata selettività verso i tessuti tumorali. Il progetto di tesi ha lo scopo di sintetizzare nanoparticelle di composti del boro variamente stabilizzate e funzionalizzate, di valutare il meccanismo di interazione con i sistemi biologici in vitro e la loro attività terapeutica derivante dall’irraggiamento neutronico.

• Sviluppo di conduttori protonici basati su ossidi semplici nanostrutturati (zirconia, ceria, titania) per applicazioni in celle a combustibile a bassa temperatura

La tecnologia delle celle a combustibile è attualmente basata principalmente sull’utilizzo di elettroliti che operano a temperature medio-alte (600-1000°C). Questo comporta notevoli problematiche di compatibilità con materiali elettrodici, di corrosione e di gestione del dispositivo. Per questo motivo vengono investigati attivamente materiali alternativi, in grado da fungere da elettroliti a basse temperature. Gran parte di questi studi sono rivolti a conduttori protonici polimerici, che però presentano l’inconveniente di una bassa conducibilità per bassi livelli umidità, di una limitata stabilità chimica e meccanica e da un elevato costo. Recentemente è stato però evidenziato come ossidi semplici, quali zirconia, ceria e titania, siano in grado di produrre elevati livelli di conducibilità protonica, anche sotto i 100°C, quando prodotti in forma di sinterizzati nanostrutturati e nanoporosi. Il meccanismo di conduzione è in questo caso di tipo superficiale. Lo scopo del progetto è quindi quello di ottimizzare sia la nanostruttura che l’interazione tra la superficie del materiale e lo stato di acqua adsorbita, in modo da ottenere valori di conducibilità protonica confrontabili o superiori a quelli dei conduttori polimerici.

• Ottimizzazione di materiali magnetici nanostrutturati massivi alternativi alle leghe di terre rare

Magneti permanenti di elevate prestazioni costituiscono oramai un elemento essenziale in molti ambiti tecnologici, legati principalmente alla produzione dell’energia e all’utilizzo di dispositivi per telecomunicazioni. I materiali più utilizzate a questo scopo sono costituiti da leghe di terre rare, contenenti principalmente Nb o Sm. Questi materiali sono però caratterizzati da una limitata abbondanza naturale e richiedono tecniche di estrazione che presentano un elevato impatto ambientale. Una possibile alternativa può essere trovata nell’utilizzo di materiali magnetici con caratteristiche intrinseche meno rilevanti, che vengono però esaltate ricorrendo ad effetti associati alla nanostruttura. E’ ben noto, infatti, che i sistemi nanostrutturati possono manifestare proprietà magnetiche rilevantissime quando vengono realizzati in modo da produrre un singolo dominio magnetico per ogni particella. Sebbene questi effetti sono stati largamente studiati nelle singole nanoparticelle, il loro trasferimento in materiali massivi, ottenuti per sinterizzazione di nanopolveri, si presenta ancora complesso. A questo fine presentano un particolare interesse le tecniche di sinterizzazione rapida sotto altissime pressioni (fino a 40.000 atm) messe a punto dal nostro gruppo di ricerca. I materiali investigati sono principalmente costituiti da ferriti variamente sostituite, che sono di facile realizzazione sotto forma di nanopolveri e sono caratterizzate da un basso costo e da un limitato impatto ambientale.

• Stampa 3D di materiali ceramici, metallici e compositi mediante l’utilizzo di sospensioni colloidali

La stampa 3D (o “additive manifacturing”) si sta diffondedo rapidamente in ambito industriale per le opportunità che essa offre nell’ambito della prototipazione rapida di oggetti complessi. La maggior parte delle applicazioni è però attualmente orientata all’utilizzo di materiali polimerici. In questo caso si possono utilizzare anche dispositivi a bassissimo costo. Un’altro settore di applicazione di grande importanza è costituito dai metalli, dove però prevalgono dispositivi a fusione laser di costo molto elevato. L’applicazione nel campo dei ceramici innovativi è invece ancora molto limitato. Il nostro progetto si propone di ottenere la stampa di materiali metallici, ceramici e compositi utilizzando una tecnologia a basso costo che si basa sull’utilizzo di precursori colloidali costituiti da miscele di polveri inorganiche e da additivi polimerici che, a valle del processo di stampa vengono sottoposti a processi termici opportuni, in modo da ottenere oggetti compatti delle caratteristiche richieste. Il progetto prevede sia lo sviluppo di colloidi dalle caratteristiche reologiche opportune, che la messa a punto dei trattamenti termici e/o chimici che vanno condotti in seguito al processo di stampa per ottenere il materiale desiderato. Il progetto si propone anche di sviluppare stampanti innovative che meglio si adattino al processo di stampa basato sull’utilizzo di sostensioni colloidali.

• Sintesi e caratterizzazione delle proprietà funzionali di ossidi ad elevata entropia

Lo sviluppo di materiali innovativi, che presentino nuove caratteristiche meccaniche, elettriche, ottiche o magnetiche, si basa generalmente sulla ricerca di nuove fasi stabili, le cui proprietà funzionali possono essere controllate attraverso processi di drogaggio con elementi estranei alla struttura originaria. Le quantità di questi droganti sono generalmente modeste, in modo da rimanere entro i lilimti di solubilità ed evitare la formazione di fasi secondarie. Recentemente, però, è stata dimostrata la possibilità di formare delle fasi omogenee in presenza di un numero elevato di cationi differenti, anche in quanità ben al di fuori dei limiti di solubilità reciproca. Ciò è dovuto alla presenza di un elevato contributo entropico, che tende a stabilizzare la formazione di soluzioni particolarmente complesse. Queste fasi sono state originariamente investigate nel campo dei metalli, dove hanno portato allo sviluppo delle cosiddette leghe ad elevata entropia, che mostrano proprietà meccaniche particolarmente interessati. L’estensione di questo approccio nel campo degli ossidi si presenta particolarmente interessante a causa della grande rilevanza che gli ossidi rivestono in moltissime applicazioni tecnologiche che sfruttano le loro proprietà funzionali. Il settore degli ossidi ad elevata entropia è però ancora in una fase embrionale. E’ stata dimostrata la possibilità di formazione di fasi composizionalemnte molto complesse che presentino strutture semplici, di tipo spinello o peroschitico, ma si conosce ancora pochissimo sulle proprietà che queste fasi prentano e sul ruolo che la stechiometria dei vari componenti svolge nel controllarle. Lo scopo del progetto è quindi quello di sintetizzare farie fasi di ossidi ad elevata entropia, studiarne le caratteristiche strutturali e valutare le proprietà funzionali in funzione della composizione.