RICERCA ITALIANA     

Composti molecolari e materiali ibridi nanostrutturati con proprietà ottiche risonanti e non risonanti per dispositivi fotonici.

Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali (INSTM)

Abstract

Lo sviluppo della società dell'informazione richiede un solido hardware e quindi materiali e sistemi con prestazioni sempre più elevate. Ciò comporta un continuo sforzo verso la progettazione, design e produzione di nuovi materiali funzionali (con proprietà ottiche, magnetiche, elettriche) o multifunzionali.Il moderno nano-approccio, che parte dagli atomi e dalle molecole per costruire materiali ibridi o compositi nanoorganizzati e strutturati, ha particolare rilevanza nel caso dei nuovi materiali per la fotonica e l'optoelettronica.Il progetto di ricerca si basa su questo approccio e si struttura in tre settori:
1)Progettazione anche teorica di nuovi cromofori fotonici e optoelettronici, operanti con meccanismi risonanti e non, a struttura molecolare o sopramolecolare o cristallina di tipo ibrido organico-inorganico.Numerose UdR con comprovata notorietà internazionale progetteranno, anche dal punto di vista teorico con metodologie ab-initio, DFT, Car-Parriniello e TDDFT, e studieranno dal punto di vista fotofisico, cromofori per la generazione di seconda e terza armonica come sistemi organici, composti di coordinazione, cristalli ibridi host-guest organici inorganici, sistemi organici anche sopramolecolari per l'emissione indotta dall'assorbimento di due o più fotoni, per la fluorescenza nell'infrarosso con terre rare tramite meccanismi fotosensibilizzanti, per processi commutazionali sia fotocromici sia controllati da processi redox, per emissione fosforescente di complesi di metalli di transizione, elettrostimolata da un polimero semiconduttore e infine per magneti molecolari. Una notevole capacità di ingegneria molecolare e di progettazione strutturale, di sintesi e di caratterizzazione fotofisica sarà messa a disposizione per affrontare aspetti progettuali innovativi come tioeliceni, fullereni, nanotubi al carbonio funzionalizzati, cristalli ibridi host-guest organico-inorganico con nanostrutture self-organizate dei cromofori.
2)Il passaggio dai cromofori molecolari, sopramolecolari o cristallini alla preparazione di materiali ibridi nanostrutturati con superiori proprietà fotoniche e optoelettroniche è il punto chiave della strategia del nanoapproccio e quindi del presente progetto.Il problema e quello di ottenere materiali con superiori proprietà fotoniche, ma anche stabili nel tempo.I materiali dovranno essere sufficientemente stabili dal punto di vista termico, chimico e fotochimico e avere accettabile lavorabilità.La base generale della ricerca condotta dalle UdR sarà quella di aumentare la stabilità e la risposta fotonica e optoelettronica, ancorando, in maniera ordinata e covalente, i cromofori e fluorofori ad un substrato polimerico o metallico/semiconduttore/isolante. I substrati saranno molteplici come particelle metalliche o semiconduttrici, preparate con tecniche diverse, nanostrutture porose di ossidi metallici e polimeri con reticolazione controllata e con gruppi funzionali capaci di ancorare cromofori anch'essi funzionalizzati.I materiali ottenuti, generalmente in forma di film o strati, risponderanno alle esigenze per varie funzioni come superiore elettroluminescenza di OLED (Organic Light Emitting Diods) emissione di luce in transistor ad effetto di campo come i LET, optical switches, memorie magnetiche, guide d'onda per la conversione non lineare di frequenze ottiche, sistemi per la limitazione ottica e per antenne fluorescenti nell'infrarosso. L'ampiezza delle possibili applicazioni fotoniche, optoelettroniche e magnetiche sarà sostenuta dal formidabile sforzo di progettazione di nuovi cromofori.
3)Il passaggio dai materiali ai dimostratori richiederà di studiare l'applicabilità dei migliori nuovi materiali negli OLED, nei LET, in guide d'onda non lineari e in optical switches e limitatori.
4)Nel corso del progetto si attuerà un vasto programma di formazione multidisciplinare di dottorandi, assegnisti, borsisti e numerosi giovani ricercatori. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Renato UGO, CONSORZIO INTERUNIVERSITARIO NAZIONALE PER LA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Obiettivo del Finanziamento

L'obiettivo generale del programma di ricerca è la progettazione, la sintesi, lo studio delle proprietà ottiche di nuovi sistemi molecolari e la loro applicazione in architetture funzionali nanostrutturate. In particolare s’intendono sviluppare molecole funzionali, multifunzionali, o sistemi cristallini, con proprietà ottiche risonanti e non risonanti e con proprietà di commutazione. La fabbricazione di nanoarchitetture organizzate, mediante processi di “self-assembling” da fase vapore, da soluzioni, o con tecniche sol-gel, o l’incorporazione controllata in film polimerici o in sol-gel costituirà il secondo obiettivo della ricerca per l’applicazione di tali sistemi in materiali avanzati per la fotonica e l’optoelettronica. I materiali ottenuti dovranno essere stabili termicamente, fotochimicamente e nel tempo, avere accettabili proprietà di lavorazione oltre che elevate proprietà ottiche. L'obiettivo finale è studiare, mediante la progettazione di dimostratori, l'applicabilità tecnologica dei migliori materiali.
Obiettivo 1: sviluppo della base teorica per la progettazione di molecole e strutture cristalline ibride, tramite metodi ab-initio correlati e basati sulla Density Functional Theory (DFT) per lo stato fondamentale (geometrie di equilibrio e struttura elettronica). La caratterizzazione degli stati eccitati (energie di assorbimento, forza dell'oscillatore, momento di dipolo e spostamento solvatocromico) e il calcolo delle proprietà dipendenti dalla frequenza (iperpolarizzabilità di primo e secondo ordine) richiederanno il metodo Time Dependent DFT (UdR Perugia). Si studieranno le sintesi di cromofori eterociclici elettro-ottici, come base molecolare per materiali polimerici fotorifrattivi per dispositivi ottici e memorie olografiche ad alta densità, e con struttura lineare o dendrimerica e/o ramificata, capaci di emettere per assorbimento di due o più fotoni per applicazioni NLO risonanti (multifotonica) come limitatori ottici per la conversione di frequenza, l’immagazzinamento di dati in 3D e fototerapie per varie patologie (UdR Milano-Bicocca). Si studierà la progettazione, caratterizzazione strutturale e fotofisica di ibridi cristallini inorganici-organici "host-guest" con matrici host inorganiche e guest organici (componenti NLO attivi o fluorescenti) e di sistemi multistrato organico-inorganico ottenuti con tecnica fosfato-fosfonato di zirconio. L'obiettivo è ottenere materiali con superiore SHG e con rapidi tempi di risposta, elevata stabilità termica e chimica, processabilità per l'ottenimento, mediante sol-gel, di strati sottili o per produzione di monocristalli per applicazione in guide d'onda o sensori (UdR Milano). Si progetteranno strutture dendritiche, funzionalizzate con cromofori capaci di funzionare come collettori d’energia con ottimizzazione dei processi di trasferimento d’energia, con obiettivo di progettare antenne molecolari (UdR Firenze), nuove molecole organiche policoniugate fotocromiche con risposte NLO fotomodulabili per memorie elettriche e ottiche riscrivibili o per NLO switches (UdR Politecnico Milano), nuovi sistemi molecolari con proprietà di commutazione ottica (UdR Catania), molecole con attività emissive nell’infrarosso, come complessi dei lantanidi con macrocicli coniugati a cromofori fluorescenti organici, oltre che sistemi supramolecolari asimmetrici a base di cluster metallici molecolari alternati a spaziatori organici p-delocalizzati per SHG (UdR CNR Padova). Con l’intento di inglobarli in polimeri si studierà la sintesi e caratterizzazione fotofisica di eteroeliceni a base benzotiofenica otticamente attivi o funzionalizzati push-pull, e composti di coordinazione, non assorbenti sopra 500 nm, con leganti donatori all’azoto come terpiridine con sostituenti elettrondonatori con significative risposte SHG e THG oltre che nuovi complessi di Re(I) dimeri con leganti funzionalizzati 1,2-diazinici e di Ir(III) e Pt(II) con terpiridine o dipiridili funzionalizzati, caratterizzati da emissione fosforescente, come base molecolare di polimeri ibridi elettroattivi per OLED (UdR Milano).
Obiettivo 2: utilizzare i migliori cromofori molecolari o cristallini messi a punto per ottenere, per organizzazione collettiva, film o materiali che esaltino le proprietà emissive e NLO, e le mantengano nel tempo, rispettando la richiesta di stabilità termica e fotochimica e di adeguate proprietà meccaniche. Cromofori eterociclici o di coordinazione opportunamente funzionalizzati saranno conglobati covalentemente e nanoorganizzati in un network polimerico, anche in condizione di poling, per ottenere film ibridi con risposta NLO del secondo o del terzo ordine stabile nel tempo, grazie a minime interazioni intermolecolari e assenza di aggregati per alte concentrazioni di cromoforo. (due UdR INSTM Milano e INSTM Padova). Si progetteranno e caratterizzeranno film ibridi (organici-inorganici) elettroluminescenti basati su polimeri conduttori polibenzotiofenici con monomeri contenenti gruppi funzionali cui saranno legati covalentemente cromofori fosforescenti a base di complessi di Re(I), Ir(III) e Pt(II) funzionalizzati (UdR Milano).Molecole organiche o composti di coordinazione con significative proprietà di emissione e NLO (conversione di frequenza, modulazione di frequenza) e con proprietà di commutazione saranno organizzati con processi di “self-assembly”, guidati da legami covalenti, su superfici per generare film o strati sottili (UdR Catania). L’aumento della risposta NLO di cromofori p-delocalizzati legati sulla superficie metallica o di silicio sarà studiato mediante Surface Enhancement Raman Scattering (UdR Politecnico di Milano). Si effettuerà l’ndagine ottica dell’isteresi magnetica di Magneti Molecolari Singoli e a Catena Singola con ottimizzazione chimica e ottica delle proprietà magnetiche (UdR Firenze). Tramite progettazione e accurata caratterizzazione fotofisica si studierà una serie di materiali nanostrutturati a partire da cromofori molecolari sia non risonanti (risposte NLO di secondo ordine) sia risonanti (risposte NLO di terzo ordine o assorbimento plurifotonico), come molecole eterocicliche o nanotubi di carbonio (CNT) funzionalizzati capaci di assorbire due o più fotoni; composti di coordinazione e molecole push-pull, con fullereni o CNT funzionalizzati come accettori elettronici, per SHG; materiali ibridi polimerici contenenti nanoparticelle metalliche, ottenute per decomposizione termica di complessi o termoablazione controllata con laser, per esaltare le proprietà NLO di cromofori adsorbiti (le due UdR Padova e Milano Politecnico). Si studierà la preparazione e caratterizzazione alla nanoscala di nanostrutture fotoniche ibride infiltrando molecole organiche fotoattive in opali inverse di ossidi metallici aventi caratteristiche nano e fotoniche controllate per l’utilizzo in Transistor Emettitori di Luce (UdR Bologna).
Obiettivo 3: indagine preliminare del possibile utilizzo dei migliori materiali identificati in dimostratori fotonici o optoelettronici o in memorie o sistemi non convenzionali per la trasmissione dell’informazione ottica, elettrica o magnetica (progettazione di guide d'onda non-lineari e di prototipi per optical switches o per memorie ottiche/elettriche/magnetiche). Si studierà l’applicabilità di film elettroluminescenti ibridi organici-inorganici negli OLED (UdR Politecnico di Milano e INFM Lecce) e la progettazione di LET a doppio strato sfruttando nanostrutture fotoniche con indagine delle loro caratteristiche optoelettroniche (UdR Bologna).
Obiettivo 4: formazione di 17 dottorandi, 21 borsisti, 10 giovani ricercatori e svariati laureandi.
I risultati attesi sono descritti in dettaglio nelle singole Attività.<<<

Durata

36 mesi