SIMULAZIONE MOLECOLARE MULTISCALA DI SISTEMI NANOSTRUTTURATI Miniforum Dottorandi DICAMP – 29 gennaio 2007 SIMULAZIONE MOLECOLARE MULTISCALA DI SISTEMI NANOSTRUTTURATI NANOPARTICELLE E NANOCANALI Paola Posocco Tutore prof. M. Fermeglia Scuola di Dottorato in Nanotecnologie- XXII Ciclo Molecular Simulation Engineering (MOSE) Laboratory (DICAMP)

SIMULAZIONE MULTISCALA Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo SIMULAZIONE MULTISCALA TEMPI CARATTERISTICI anni anni Engineering design Engineering design ore ore Simulazione di processo FEM Simulazione di processo FEM minuti minuti secondi secondi Modellazione di mesoscala (insiemi di atomi o molecole) Modellazione di mesoscala (insiemi di atomi o molecole) microsecondi microsecondi La simulazione molecolare multiscala trova il proprio fondamento nell’integrazione sequenziale di tecniche e modelli teorici sviluppati per descrivere fenomeni e sistemi con lunghezze e tempi caratteristici differenti tra loro. In questo modo è possibile, partendo dalle informazioni provenienti dal livello descrittivo inferiore (quantomeccanico), ottenere parametri da utilizzare in ingresso al passo successivo. Meccanica molecolare (atomi) Meccanica molecolare (atomi) nanosecondi nanosecondi picosecondi picosecondi Meccanica Quantistica (elettroni) Meccanica Quantistica (elettroni) femtosecondi femtosecondi 1Å 1Å 1nm 1nm 1μm 1μm 1mm 1mm 1m 1m LUNGHEZZE CARATTERISTICHE 29 gennaio 2007 Paola Posocco

MODELLAZIONE QUANTOMECCANICA Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo MODELLAZIONE QUANTOMECCANICA Reattività chimica, proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche MODELLAZIONE ATOMISTICA Energia di interazione Analisi conformazionale Fenomeni di adsorbimento Energia di coesione Parametri di interazione MODELLAZIONE DI MESOSCALA Morfologia Miscibilità o compatibilità Fenomeni di diffusione Stabilità strutturale Tensione superficiale Fenomeni di aggregazione e coagulazione Per ognuno dei livelli descrittivi anticipati prima, vengono di seguito evidenziate quelle che sono le proprietà calcolabili. MODELLAZIONE AGLI ELEMENTI FINITI Proprietà meccaniche Conducibilità elettrica e termica Permeabilità a liquidi e gas 29 gennaio 2007 Paola Posocco

OBIETTIVI Applicazione dell’approccio multiscala Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo OBIETTIVI Applicazione dell’approccio multiscala a sistemi nanostrutturati di natura differente I settori applicativi possono coinvolgere la scienza dei materiali, con riferimento ad esempio al settore automobilistico, o le scienze farmaceutiche e biologiche per il rilascio controllato di farmaci. In ogni caso è necessario: SCIENZA DEI MATERIALI SCIENZE FARMACEUTICHE E BIOLOGICHE Sviluppo di un modello virtuale per la rappresentazione di sistemi compositi nanostrutturati sia a livello atomistico che di mesoscala, come agli elementi finiti Correlazione tra le proprietà delle nanoparticelle (natura, dimensioni, composizione, forma e frazione volumetrica) o dei nanocanali e le proprietà macroscopiche finali Elaborazione di una procedura multiscala che risponda al target desiderato 29 gennaio 2007 Paola Posocco

NANOCOMPOSITI POLIMERICI Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo NANOCOMPOSITI POLIMERICI Silicato lamellare Utilizzo di uno medesimo modello teorico per tutte le componenti di un sistema complesso può essere un limite Compatibilizzante organico METODI IBRIDI Matrice polimerica Si combinano all’interno di una stessa simulazione modelli sviluppati per studiare differenti lenght scales e differenti tipi di strutture In collaborazione con J. G. E. M. H. Fraije, Soft Condensed Matter Group, Leiden Institute of Chemistry, Leiden University, Netherland 29 gennaio 2007 Paola Posocco

DESIGN DI MATERIALI ORGANICI NANOCARICATI MULTIFUNZIONALI Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo LED (LIGHT EMITTING DIODE) Estrazione della luce da LED L’applicazione di coating trasparenti ad elevato indice di rifrazione e trasmittanza sulla sorgente luminosa consente di ottenere la massima efficienza nella produzione di luce da SSLS. Pochi polimeri possiedono IR nel visibile ≥1,5 e una buona stabilità termica e chimica Resine polimeriche (acrilati organici) caricate con nanoparticelle metalliche L’indice di rifrazione di un materiale nanocomposito può essere modificato variando la natura, la dimensione (1-10 nm) e la concentrazione delle nanoparticelle in esso disperse. aria sottostrato semiconduttore strato attivo resina DESIGN DI MATERIALI ORGANICI NANOCARICATI MULTIFUNZIONALI VI FRAMEWORK PROGRAMME 29 gennaio 2007 Paola Posocco

Derivazione parametri molecolari Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo RILASCIO DI PROTEINE Il trasporto e le interazioni superficiali di biomacromolecole (proteine) in membrane nanoporose giocano un ruolo chiave in numerosi processi di importanza tecnologica La natura e il range delle interazioni è influenzato dalle caratteristiche della molecola, della superficie e del mezzo solvente Modello diffusionale Derivazione parametri molecolari STRATEGIA Dinamica molecolare Sviluppo di una metodologia ab initio, che consenta di prevedere la diffusione in nanocanali in tempi brevi e senza la necessità di costosi studi sperimentali Modello molecolare In collaborazione con M. Ferrari, The University of Texas M. D. Anderson Cancer Center, Houston, USA 29 gennaio 2007 Paola Posocco

APPLICAZIONI BIOMEDICHE Simulazione molecolare multiscala di sistemi nanostrutturati Scuola di dottorato in Nanotcnologie – XXII ciclo DENDRIMERI Atomi Piccole molecole Macromolecole biologiche Self-assembling organizations Cellule 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 O2 H2O O N S Enzimi Proteine DNA Virus Anticorpi Polimeri sintetici Batteri Sangue Emoglobina Micelle Dendrimeri Microscopico Mesoscopico Macroscopico Macromolecole altamente ordinate, di elevato grado di ramificazione interna, riconosciute come una singolare classe di nanostrutture sintetiche Dimensione, peso molecolare, architettura molecolare, struttura chimica interna e superficiale manipolabili con precisione → controllo della biocompatibilità e della farmaco-cinetica DRUG DELIVERY BIOMIMETICA APPLICAZIONI BIOMEDICHE In collaborazione con M. Ferrari, The University of Texas M. D. Anderson Cancer Center, Houston, USA 29 gennaio 2007 Paola Posocco