RICERCA ITALIANA     

Processi molecolari in sistemi di non-equilibrio per applicazioni nel campo energetico e ambientale e per la sintesi di nuovi materiali.

Università degli Studi di Perugia

Abstract

La caratterizzazione a livello molecolare del comportamento dinamico di sistemi di non-equilibrio, in particolare di miscele gassose in espansione adiabatica, di atomi metastabili e ioni gassosi in atmosfere rarefatte e di plasmi è fondamentale per lo sviluppo di tecnologie innovative, finalizzate ad applicazioni sia in campo energetico, ambientale, che nel campo delle nanostrutture.
Nell'ambito di questo programma di ricerca si procederà allo studio, teorico e sperimentale, delle interazioni tra specie chimiche di varia natura e dei processi collisionali che inducono condizioni molecolari di non-equilibrio, associate al rilassamento dei moti interni ed ai meccanismi di scambio di carica, eccitazione e ionizzazione, spesso accompagnati da riarrangiamento molecolare.
Il progetto coinvolge, su questo obiettivo, tre gruppi universitari provenienti da discipline diverse (chimica e fisica) con competenze complementari (teoriche e sperimentali). Vista la natura multidisciplinare dello studio, le tecniche sperimentali che verranno utilizzate spazieranno dall'uso di fasci molecolari, neutri e ionici, a scariche elettriche, al confinamento elettrodinamico di ioni, alle spettroscopie laser, di elettroni e di luce di sincrotrone fino alla spettrometria di massa.
Al fine di raggiungere una interpretazione unificata dei processi studiati si effettueranno, per alcuni casi campione, calcoli ab initio accurati delle loro proprietà utilizzando formalismi teorici avanzati ed efficienti. Si procederà inoltre allo sviluppo ed estensione di metodi teorici semiempirici per la stima delle forze intermolecolari coinvolte e alla messa a punto di modelli dinamici innovativi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fernando PIRANI Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo scopo di questo progetto è lo studio a livello microscopico di alcuni importanti processi che coinvolgono specie atomiche e molecolari, a guscio elettronico sia chiuso che aperto, la cui comprensione è fondamentale per la caratterizzazione del comportamento di miscele gassose in espansione supersonica, di atomi metastabili e ioni gassosi e di plasmi.
Questi sistemi hanno in comune il fatto di essere spesso in uno stato di non equilibrio e richiedono dunque una indagine a livello molecolare che esplicitamente consideri le forze di interazione in gioco e la loro influenza sulle singole collisioni ed i singoli stati quantici.
Lo studio, che coinvolgerà specie chimiche a complessità crescente, dagli atomi di gas nobile piu' leggeri fino agli idrocarburi poliaromatici, verrà condotto su base sperimentale accoppiando tecniche di produzione di fasci molecolari e di specie cariche ed eccitate con diagnostiche basate sulla spettrometria di massa, la cromatografia liquida e gassosa, la spettroscopia di elettroni, la spettroscopia laser e di luce di sincrotrone. Dal punto di vista teorico, saranno effettuate simulazioni su sistemi prototipo con calcoli ab initio e saranno sviluppati metodi per la determinazione e rappresentazione delle interazioni intermolecolari e modelli dinamici per descrivere trasferimenti di energia e di carica.
L'obbiettivo è quello di ottenere le sezioni d'urto dei processi collisionali, di identificare i vari canali che possono aprirsi al variare dell'energia e il loro ruolo relativo, e di caratterizzare gli effetti di mutua orientazione delle molecole collidenti (stereodinamica) e dello stato quantico interno di reagenti e prodotti. Un particolare sforzo sarà fatto per estendere la conoscenza ottenuta a livello di processi chimici elementari ai fenomeni collettivi in gas e plasmi. Questi risultati saranno poi utilizzati per la messa a punto di tecnologie applicative basate sull'uso di plasmi e di espansioni supersoniche di miscele gassose.
I sistemi a plasma, grazie alle loro proprietà catalitiche, sono di strategica importanza per lo sviluppo di applicazioni in campi diversi. Nella ricerca di nuove fonti di energia vengono usati per l'up-grading di miscele gassose ed il reforming di molecole organiche finalizzato alla produzione di idrogeno; sono inoltre fondamentali per lo sviluppo della tecnologia della fusione nucleare controllata; in campo ambientale sono sempre più utilizzati per la distruzione di composti inquinanti; in campo diagnostico scariche corona vengono usate per la ionizzazione chimica a pressione atmosferica aumentando notevolmente la sensibilità di rilevazione di alcune specie.
Le espansioni supersoniche, sfruttando le proprieta' di allineamento molecolare indotto da collisione, possono essere usate per la produzione di nanostrutture e la sintesi di nuovi materiali, attraverso la deposizione controllata di film sottili. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Lo stato di non-equilibrio e' di gran lunga la forma più comune in cui la materia è presente in natura. Ad esempio, oltre il 99% dell'universo visibile (e forse la maggior parte di ciò che non è alla portata delle nostre osservazioni) è costituito da plasmi stellari e da quelli presenti nello spazio interstellare [1]. Un plasma è costituito in generale da un insieme di elettroni, ioni, atomi, radicali e molecole liberi di muoversi. I fenomeni di trasporto di queste specie in fase gassosa ed in fase liquida sono spesso accompagnati da effetti di rilassamento ed allineamento molecolare.
Questi effetti, ipotizzati molti anni anni fa [2-5] e ancora non completamente caratterizzati [6-8], in particolari condizioni possono esaltarsi [9,10] ed è stato dimostrato recentemente che il loro controllo è in qualche misura possible [11-13] e che applicazioni, per esempio allo studio dei processi che preludono alla catalisi superficiale, sono realizzabili [14].
Il progetto qui presentato è il risultato del lavoro coordinato di tre gruppi universitari che intendono contribuire alla produzione, caratterizzazione ed uso applicativo di alcuni stati di non- equilibrio della materia. Questo sforzo richiede lo studio di alcuni importanti processi atomici e molecolari indotti dall'energia termica, elettrica ed elettronica. Il lavoro scientifico sarà condotto sia da un punto di vista sperimentale che teorico, al fine di ottenere una comprensione esaustiva della dinamica microscopica dei sistemi di interesse, indispensabile ingrediente nel predire il loro comportamento e pianificare possibili applicazioni.
La problematica risulta al giorno d'oggi di grande interesse e richiede ampie conoscenze di base. Basti pensare, ad esempio, che i chimici e i fisici dei plasmi con i loro studi hanno aperto e sviluppato nuovi campi di ricerca, quali la scienza del caos e la dinamica dei sistemi non lineari [15-17]. Questi scienziati hanno inoltre grandemente contribuito agli studi sulla turbolenza, tanto importanti per la sicurezza dei voli aerei e per tante altre applicazioni. La scienza dei plasmi è attualmente e senza dubbio uno dei più stimolanti settori di ricerca in continua evoluzione [18]. Si pensi ad esempio alle recenti scoperte che hanno portato alla comprensione del comportamento di plasmi molto freddi che condensano in uno stato cristallino, agli studi sulle interazioni laser ad alta intensità, allo sviluppo di sistemi di illuminazione ad alta efficienza e alle interazioni plasma-superficie, così importanti nella costruzione di computers. I plasmi, infatti, possono essere utilizzati in innumerevoli applicazioni nelle quali è richiesta un'efficiente sorgente di radiazione che sia controllabile mediante campi elettrici e/o magnetici (essi sono infatti altamente conduttori) oppure quando sia necessario sviluppare speciali sorgenti di energia o di radiazione [18].
La ricerca in questo settore, oltre a fornire una sempre crescente comprensione dell'universo, ha già sviluppato e potrà sviluppare in futuro un grande numero di applicazioni tecnologiche: nuove tecniche di fabbricazione come quella di deposizione di film sottili (ad esempio sottili film di diamante sintetico e film superconduttori ad alta temperatura, produzione controllata di nanostrutture formate da molecole organiche per la realizzazione di nuovi semiconduttori e celle fotovoltaiche), trattamento di superfici (tecnica dei fasci ionici per la lucidatura di specchi sottili e per la pulitura di superfici varie), sintesi dei materiali (fornaci ad arco nella fabbricazione dell'acciaio), chimica della degradazione (trattamento dei rifiuti tossici), trattamento di prodotti di consumo (pastorizzazione della carne e sistemi di trattamento delle acque) e ricerca di nuove fonti energetiche [1,15,18].
I plasmi sono molto ricchi di specie ioniche a singola o doppia carica e di specie eccitate [1]. Dicationi diatomici, che si trovano in uno stato metastabile, possono dar luogo a dissociazione mediante "esplosione coulombiana", fornendo una quantità rilevante di energia che viene liberata a causa dell'intensa repulsione esistente tra i due frammenti carichi che si separano. E' per questa ragione che tali sistemi sono stati proposti da diversi ricercatori come ottimi candidati per lo sviluppo di nuovi dispositivi per l'immagazzinamento di energia [19]. Inoltre la dinamica del fenomeno di plasma noto come ‘double layer' è stata proposta come ‘modello analogico' del trasporto ionico attraverso membrane cellulari [20]. Per stabilire le modalità di formazione e definire tutte le proprietà dei dicationi serve anche una appropriata indagine teorica, possibile usando i mezzi più avanzati della meccanica quantistica [21-23].
Tutto ciò è di particolare interesse per due motivi principali già accennati in precedenza: da un lato i plasmi contenenti dicationi sono controllabili e manipolabili per mezzo di campi elettrici e/o magnetici opportuni, d'altro canto le nuove tecniche di manipolazione dei plasmi a bassissime temperature consentono in linea di principio di intravedere la possibilità di un immagazzinamento energetico efficace e duraturo.
Lo studio della dinamica di processi elementari in plasmi, gas ionizzati e miscele gassose in espansione adiabatica, in cui sono coinvolte specie atomiche o molecolari, cariche, neutre o in stato eccitato [8, 24, 25], richiede l'uso di particolari tecniche sperimentali, quali scariche elettriche per la formazione di specie instabili [26], produzione e caratterizzazione di fasci molecolari [27, 28] e loro analisi in energia, con confinamento elettrodinamico per gli ioni [29,30], oltre a sofisticate tecniche d'indagine, quali, per esempio, la spettrometria di massa [27-30], la spettroscopia di elettroni [31-33], le spettroscopie laser [34,35] e a luce di sincrotrone [36].
Questo tipo di ricerca richiede accurati calcoli teorici ab initio per defnire l'origine e simulare i processi studiati sperimentalmente al fine di comprendere quantitativamente il complesso ruolo delle interazioni coinvolte [37,38]. Richiede poi di sviluppare metodi teorici per la valutazione e rappresentazione delle forze intermolecolari [39], che controllano le singole collisioni, e modelli cinetici e fluido-dinamici che consentano di passare dalle forze intermolecolari alle sezioni d'urto per collisione e infine alle proprietà collettive del sistema [40,41].
I tre gruppi coordinati in questa proposta, sono considerati a livello nazionale ed internazionale, tra i più avanzati nella conoscenza, sviluppo ed applicazione di queste tecniche sia sperimentali che teoriche. Inoltre i partecipanti a questo progetto hanno attive collaborazioni fra di essi ed anche con altri gruppi che si occupano direttamente degli aspetti applicativi dei fenomeni studiati. Questo progetto si avvantaggia inoltre della complementarietà delle competenze messe a frutto per l'obbiettivo comune del chiarimento di alcuni processi elementari di fondamentale importanza nei fenomeni oggetto di questa proposta. <<<