Laboratori interdipartimentali

Attività di ricerca condotta nei Laboratori Interdipartimentali del Politecnico di Torino

Il Politecnico di Torino ha recentemente co-finanziato laboratori di ricerca interdipartimentale con l’obiettivo di promuovere la ricerca in settori strategici. Quelli in cui DISAT si trova ad operare, anche in relazione al background culturale dei suoi gruppi di ricerca, sono focalizzati sulle seguenti aree tematiche:

  • Additive Manufacturing (iam@polito);
  • Materiali vetrosi per applicazioni fotoniche (PhotoNext);
  • Advanced Joining Technologies (J-TECH@POLITO);
  • Materiali per applicazioni biomediche (PolitoBIOMed LAB).

Nell’ambito dei materiali prodotti con tecnologie di Additive Manufacturing (AM) DISAT è parte attiva del più importante centro italiano rivolto allo sviluppo delle tecnologie additive (iam@polito) dotato, unico nel suo genere, di tutte le attrezzature necessarie a rendere completa ed autoconsistente l’intera supply chain necessaria per la produzione di provini e/o componenti, In questo campo sono attivi progetti europei (Borealis, 4D Hybrid e AMABLE, fino al 2019 e 2021) e regionali (STAMP, attivo fino al 2019). Questa linea di ricerca sarebbe avvantaggiata dalla presenza di un centro di microscopia dotato, ad esempio, di un TEM, capace di permettere un’efficace risoluzione delle microstrutture caratteristiche dei materiali che queste tecnologie consentono di realizzare, rendendo possibili incrementi delle prestazioni meccaniche.

DISAT è inoltre coinvolto in PhotoNext, un laboratorio interdipartimentale del Politecnico di Torino finanziato con 1.8 M€ per l’acquisto di attrezzature altamente innovative nel settore della fotonica. Lo scopo di PhotoNext è di fornire innovazione scientifica e tecnologica nel settore dei materiali vetrosi per applicazioni fotoniche, attività iniziata nel 1995 presso DISAT, che possiede l’unica torre di filatura per fibre ottiche per ricerca presente in Italia. La progettazione e realizzazione di materiali innovativi per la fotonica negli ultimi tempi si sta indirizzando sullo sviluppo di vetri innovativi che aprono nuovi orizzonti per la fabbricazione di fibre multimateriali. L’utilizzo di materiali nanostrutturati (nanocristalli, nanoparticelle) permette funzionalità innovative e con enormi potenzialità. In questo ambito è cruciale avere a disposizione attrezzature all’avanguardia di microscopia elettronica, in grado di analizzare la struttura cristallina/amorfa dei materiali realizzati e la loro composizione chimica. Un TEM permetterebbe di raggiungere tale obiettivo. Per la preparazione dei campioni un FIB completerebbe la dotazione in quanto permetterebbe di ottenere da un materiale massivo lamelle di dimensioni sub-micrometriche adatte all’analisi TEM.

DISAT è coinvolto in J-TECH@POLITO, Advanced Joining Technologies, un laboratorio interdipartimentale finanziato con 2 M€ su questa tematica. Lo scopo di J-TECH@POLITO è di fornire innovazione scientifica e tecnologica nel campo dei processi di giunzione in ambito manifatturiero. Negli ultimi decenni, nel settore industriale sono stati introdotti numerosi materiali innovativi, con eccezionali proprietà rispetto ai materiali più tradizionali, ma il loro utilizzo è rimasto limitato a causa di un’inadeguatezza dei processi nel fornire giunti affidabili. Tecnologie di giunzioni affidabili permetterebbero di realizzare e quindi introdurre sul mercato prodotti innovativi, con caratteristiche migliorate, come ad esempio una riduzione del peso e quindi, soprattutto nei trasporti, una riduzione del consumo di carburante e di emissioni di CO2. Il laboratorio già dispone di competenze e di attrezzature per l’analisi numerica e sperimentale nonché per la progettazione ed il monitoraggio di processi di giunzione manuali o automatizzati e di strumentazioni di misura per il controllo dei giunti. Il programma proposto dal presente progetto andrebbe a completare e implementare le risorse già disponibili, in quanto tecniche di analisi microscopica a trasmissione e scansione ad alta risoluzione con analisi composizionale e con preparazione di sezioni sottili permetterebbero un adeguato controllo dei meccanismi di giunzione e un loro miglioramento. Tecniche di microscopia innovative permetterebbero di rispondere alle richieste che vengono dai settori emergenti della ricerca (ad es nanoscienza), che coinvolgono in modo sostanziale lo studio delle superfici dei materiali da giuntare. Parallelamente a ciò, si ricorda l’attività di ricerca di DISAT nella nanostrutturazione delle superfici da giuntare e sulla resistenza ad irraggiamento ionico e neutronico di materiali vetrosi/vetroceramici per applicazioni in ambiente nucleare. In questo ambito DISAT ha coordinato progetti di ricerca europei (GLACERCO, COACH, JOLIE, SMS, MATISSE, Il TROVATORE, ADMACOM, NEXTOWER,….) e di trasferimento tecnologico (Indesit, Magneti Marelli, MBDA, Brembo,..) che ricoprono un vasto spettro di prodotti, processi e strategie che vanno dal settore automotive all’aerospazio, necessitando di strutture esterne (ORNL-USA, AGH-Polonia, QMUL-UK, INSTM-Italia, UNITO-Italia) per le caratterizzazioni microscopiche necessarie, con dispendio di risorse e ritardi nella realizzazione del lavoro.

Per quanto concerne l’attività di ricerca nel settore dei biomateriali, DISAT è in PolitoBIOMed LAB, un laboratorio interdipartimentale finanziato con 3 M€ per l’acquisto di attrezzature altamente innovative nel settore dei materiali per applicazioni biomediche. Sono state attualmente portate avanti presso DISAT, con gli strumenti a disposizione del dipartimento e condivisi dai centri di ricerca/università /industrie coinvolte nei progetti regionali, nazionali e internazionali, e seguenti tematiche di ricerca:

  • Nanoparticelle superparamagnetiche e plasmoniche per la diagnosi e la terapia in ambito oncologico. Sono state sintetizzate e caratterizzate nanoparticelle di magnetite diversamente decorate con: gusci di silice, anticorpi, acidi grassi, nanoparticelle plasmoniche, vettori lentivirali. Lo scopo è la realizzazione di nanovettori intelligenti per la diagnosi e la cura dei tumori attraverso l’uso di approcci combinati (ipertermia, fototerapia, terapia genica, targeting immunologico). Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate utilizzando la tecnologia FESEM-STEM.
  • Struttura e composizione di superfici contenenti nanoparticelle metalliche immerse in una matrice ossidica. Sono state realizzate, tramite trattamenti chimici, superfici bioattive e antibatteriche costituite da uno strato di ossido di titanio dello spessore di 100-300 nm contenente nanoparticelle di Ag (in parte sepolte). Nanoparticelle di argento e rame sono state ottenute anche sulla superficie di vetri bioattivi mediante riduzione in situ assistita da polifenoli o riducenti chimici graffati al materiale. La quantità, la dimensione e la distribuzione delle nanoparticelle metalliche sulle diverse superfici citate è cruciale per l’ottimizzazione delle stesse al fine di garantire un comportamento antibatterico senza effetti citotossici. Queste proprietà di superficie dei materiali nonché la struttura cristallina delle fasi presenti sono difficilmente investigabili se non tramite sezioni realizzate con tecnologia FIB e osservazioni TEM-SAED.
  • Materiali nanoporosi. Utilizzando processi sol-gel e loro ottimizzazioni sono stati sintetizzati vetri bioattivi nanoporosi e strutture a porosità gerarchica dalla meso- alla macro-scala contenenti fasi cristalline magnetiche. Lo scopo è realizzare materiali impiantabili multifunzionali che abbinino proprietà osteogeniche a specifici effetti terapeutici, quali l’ipertermia per la cura dei tumori ossei. Disporre di un TEM risulta indispensabile per caratterizzare in modo completo la tessitura nanoporosa di tali materiali (simmetria, ordine strutturale, dimensione dei pori) e rendere questo filone di ricerca presso DISAT competitivo rispetto ai centri di eccellenza sui materiali mesoporosi a livello europeo (Universidad Complutense de Madrid, Prof. Maria Vallet-Regi) ed internazionale (Chinese Academy of Science, Prof. Chengtie Wu)
  • Rivestimenti nanostrutturati via co-sputtering. Sono stati sintetizzati tramite co-sputtering, su diverse tipologie di substrato (vetri, polimeri, acciaio, tessuti), rivestimenti compositi ad azione antibatterica silice/nanoclusters di Ag aventi spessore di circa 50-300 nm, contenenti nanoclusters di argento di poche decine di nanometri. Lo spessore dei rivestimenti, la dimensione dei nanoclusters e la loro distribuzione all’interno della matrice di silice sono state attualmente investigate tramite FESEM.

L’allestimento di un nuovo Laboratorio di microscopia è indispensabile per una migliore caratterizzazione della struttura e della morfologia di nanoparticelle e strati superficiali sottili, fornendo informazioni complementari a quelle acquisibili con la strumentazione già in possesso, come ad esempio FESEM. La presenza di tale laboratorio sarebbe di beneficio di varie collaborazioni in corso, che potrebbero portare all’attivazione di nuovi progetti di ricerca, scambio di tesisti, dottorandi e ricercatori con i più prestigiosi Atenei e Centri di Ricerca.