Obiettivi complessivi di sviluppo del dipartimento

Mai come oggi, le tematiche relative alla sicurezza energetica, alla tutela dell’ambiente e alla sostenibilità e ai costi dell’energia risultano prioritarie per il futuro del nostro Paese. In quest’ottica, occorre incentivare la diffusione delle rinnovabili e dell’efficientamento energetico, la riduzione delle emissioni inquinanti e climalteranti ed il miglioramento della sicurezza energetica. Molte delle ricerche attualmente in corso al DISAT hanno l’ambizioso obiettivo di contribuire attivamente a tali obiettivi con lo studio e lo sviluppo di soluzioni innovative per la transizione energetica, che potranno in futuro avere ricadute anche sulle opportunità economiche e occupazionali per le famiglie e il sistema produttivo nazionale.

In particolare, in accordo con Piano Nazionale Integrato per L’Energia e il Clima 2030, al fine di supportare la trasformazione dell’economia necessaria per il futuro, le ricerche condotte al DISAT tendono a incentivare soluzioni per la decarbonizzazione e l’uso razionale, efficiente ed equo delle risorse naturali e implementare l’applicazione dei principi dell’economia circolare.

Infatti, le attività di ricerca condotte al DISAT che si intendono potenziare e ulteriormente sviluppare in questo progetto sono focalizzate su:

decarbonizzazione del settore energetico, con l’obiettivo di contribuire all’obiettivo nazionale e mondiale della neutralità climatica entro il 2050;
evoluzione del sistema energetico, proponendo soluzioni innovative di accumulo, produzione e conversione che sfruttino efficientemente le fonti rinnovabili;
sviluppo di soluzioni idonee a promuovere la sostenibilità, la sicurezza e l’economicità di sistemi di produzione di energia da fonti rinnovabili in tutti i settori applicativi e atte a favorire la transizione del sistema produttivo verso processi e prodotti a basso impatto di emissioni di carbonio;
valutazione dell’impatto delle nuove fonti energetiche sulla qualità dell’aria e dei corpi idrici, durante l’intero ciclo di vita dei materiali e dei processi utili per la loro realizzazione.

L'allestimento del nuovo laboratorio di analisi composizionale avanzata presso il DISAT permetterà una maggiore comprensione dei fenomeni alla base delle soluzioni innovative attualmente studiate nell’ambito dei diversi progetti nazionali ed internazionali. Da un punto di vista scientifico, la caratterizzazione avanzata a livello atomico e molecolare degli aspetti chimico/fisici e strutturali contribuirà all’avanzamento delle conoscenze, accelerando la definizione di nuove soluzioni per lo sviluppo di materiali innovativi, più efficienti nella conversione e accumulo dell’energia da proporre come fonti alternative ai combustibili fossili e per la riduzione delle emissioni nell’ambiente, contribuendo altresì a massimizzare la realizzazione degli obiettivi di decarbonizzazione e di efficientamento energetico.

La spettroscopia XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) costituisce lo strumento d’eccellenza per lo studio a livello atomistico della struttura locale (tipo XRD ma senza richiedere ordine a lungo raggio), della geometria e dello stato di ossidazione (tipo XPS, ma in modo bulk averaged) degli elementi chiave per lo sviluppo di materiali sostenibili per l’energia, la catalisi e l’elettrocatalisi, e la fisica della materia condensata e dei sistemi disordinati. Tuttavia, la necessità di usare la luce di sincrotrone (radiazione di alta intensità, collimata e regolabile su diverse energie) per ottenere segnali sufficientemente risolti (e la successiva non banale analisi dati) ha limitato fortemente la diffusione di tale tecnica per lo studio delle relazioni struttura-proprietà. Recentemente, una serie di innovazioni tecnologiche ha reso possibile lo sviluppo di strumenti XAS “da banco” in grado di ottenere spettri di qualità paragonabile a quelli misurati al sincrotrone, con tempi di acquisizione ragionevoli e via via più competitivi. Per questo motivo, l’acquisizione “in house” di uno strumento Lab-XAS permetterà, per la prima volta nel nostro nazionale, di realizzare uno screening ad ampio spettro di molti dei materiali prodotti (la tecnica è applicabile a liquidi, complessi molecolari e solidi) massimizzando la capacità di selezione per eventuali successivi esperimenti al sincrotrone, nel caso sia necessaria una ancor maggiore energia operativa e risoluzione, garantendo un importante rafforzamento delle proposte progettuali per accesso al tempo macchina. Uno strumento di questo genere, non essendo al momento disponibile a livello nazionale e con solo poche installazioni a livello europeo, rappresenterà un elemento di assoluta unicità per il Politecnico di Torino, di grandissimo impatto trasversale e nuove opportunità di didattica laboratoriale. Lo sviluppo di competenze e il servizio di misura (esteso alle aziende e ad università esterne) permetterà inoltre la sostenibilità futura di questo investimento, con l’inserimento dei nostri laboratori in una infrastruttura di ricerca europea (e.g., ESFRI - Forum Strategico Europeo per le Infrastrutture di Ricerca, il network di laboratori costituito nell'aprile del 2002 su mandato del Consiglio dell’Unione Europea per sostenere lo sviluppo di una strategia coerente per il potenziamento delle infrastrutture di ricerca in Europa) e la possibile connessione con network pre-esistenti come NFFA -Europe).

Lo strumento HR-NMR (High-resolution Nuclear Magnetic Resonance) a 600 MHz per analisi di campioni allo stato liquido e allo stato solido rafforzerà le attività di ricerca inerenti all’analisi composizionale e strutturale di sistemi organici ed inorganici studiati per lo sviluppo di materiali innovativi per la conversione e l’accumulo dell’energia non alterati da processi di preparazione del campione che ne stravolgano la funzione nel loro contesto originario. Data la natura intrinsecamente non distruttiva della tecnica analitica e la sua elevata versatilità, tale strumento permetterà di ottenere una serie di informazioni chimico-strutturali, anche dinamiche, che altrimenti richiederebbero l’implementazione di più tecniche d’analisi e, presumibilmente, non sullo stesso campione fisico. Il sistema a 600 MHZ rappresenta il miglior compromesso fra i moderni strumenti ad altissima risoluzione (fino a 1.2 GHz), altamente specializzati in applicazioni di frontiera della chimica e fisica, ed i più economici strumenti a 400-500 MHz, la cui risoluzione più limitata ne restringe il campo di applicabilità. A tutti gli effetti, lo strumento a 600 MHz è oggigiorno lo standard di riferimento per tutte le scienze -omiche (metabolomica, proteomica, lipidomica, foodomica, etc.) in cui l’NMR ricopre un ruolo centrale, così come nella chimica dei polimeri (sia disciolti in soluzione, che in stato di solidi amorfi, semicristallini o cristallini), nonché per lo studio delle proprietà chimico-fisiche di materiali innovativi di grande rilevanza tecnologica (e.g., materiali vetrosi, ceramici e vetroceramici, materiali superconduttori e ferromagnetici, fibre ottiche e materiali innovativi per fotonica). Questa tecnica inoltre è essenziale per l’analisi della struttura di molecole e macromolecole in soluzione fisiologica, ovvero nelle condizioni tipiche delle cellule, così come per lo studio dei processi dinamici che regolano ad esempio l’attività di enzimi e il trasporto delle sostanze nutritive attraverso le membrane cellulari.

Il laboratorio di analisi composizionale avanzata da implementare in questo progetto, con Lab-XAS e HR-NMR a 600 MHz, si integrerà con il centro di eccellenza di Microscopia implementato nell’ambito del precedente progetto “Dipartimenti di Eccellenza” 2018–22, altrettanto utile negli studi di nuove soluzioni energetiche per la caratterizzazione dei materiali innovativi per la conversione e l’accumulo di energia. Il progetto attuale propone anche di integrare il microscopio HR-TEM, acquisito nell’ambito del procedente progetto, con una cella termica ambientale per effettuare misure "in situ" e "in operando", che permetta di monitorare l’evoluzione delle fasi reagenti e individuare le strutture a maggiore reattività superficiale ed ottenere avanzamenti significativi nella comprensione fenomenologica delle reazioni chimiche ed elettrochimiche. Inoltre, al fine di studiare processi fondamentali che si verificano alle interfacce solido-gas o solido-liquido e che svolgono un ruolo chiave in diversi campi di applicazione come la catalisi eterogenea, la generazione e lo stoccaggio di energia o le scienze ambientali, si potrà anche contare sul Near Ambient Pressure XPS (NAP-XPS) che sarà acquisito dal DISAT nell’ambito dell’infrastruttura di ricerca iENTRANCE@ENL. In particolare, il NAP-XPS permetterà di analizzare un'ampia varietà di campioni diversi, inclusi campioni isolanti, campioni biologici, gas, liquidi e relative interfacce contribuendo ulteriormente alla conoscenza approfondita della loro composizione.

Infine, il potenziamento delle risorse di calcolo HPC garantirà di interfacciare le attività di caratterizzazione con quelle computazionali di simulazione, consentendo una comprensione avanzata e profonda dei fenomeni coinvolti. Particolare attenzione verrà rivolta alle attività di modellazione multiscala, che integrano simulazioni quanto-meccaniche (con tecniche basate su Density Functional Theory, DFT), con simulazione di dinamica molecolare classica “full-atom” e “coarse-grained” e con strumenti di modellazione ingegneristici nel continuo. Particolare attenzione verrà rivolta allo studio delle batterie e delle interfacce e interfasi in esse presenti e allo studio di processi catalitici per l’utilizzo della CO₂. Il laboratorio di analisi composizionale avanzata andrà a rafforzare la ricerca multidisciplinare in corso nei centri interdipartimentali del Politecnico di Torino, nell’ottica dell’articolazione trasversale “Cross-cutting actions” dell’ambito di ricerca e innovazione del PNR 2021-27 “Clima, energia e mobilità sostenibile”.

Grazie alla complementarità delle tecniche, strumentazioni e laboratori sopra descritti, il DISAT si propone di diventare un centro di avanguardia per la caratterizzazione morfologica, microstrutturale e composizionale unico in Italia, risultando di grande attrattività a livello europeo e mondiale per collaborazioni con le più prestigiose Università e Centri di ricerca. Le nuove tecniche di caratterizzazione avanzate supporteranno la ricerca DISAT nello sviluppo delle tecnologie di prodotto e di processo essenziali per la transizione energetica, ed in particolare:

nello studio di sistemi di accumulo con potenza, capacità, velocità di reazione ed efficienza incrementata;
nello studio di componenti e sistemi per il fotovoltaico ad alta efficienza;
nello studio di materiali avanzati utili per diverse applicazioni nel ciclo dell’energia;
nello studio di tecnologie, componenti e materiali per l'incremento delle prestazioni energetiche e ambientali degli edifici;
nello studio di soluzioni in grado di migliorare l’efficienza energetica di prodotti e processi industriali, in particolare con lo sviluppo di tecniche e soluzioni impiantistiche per l’efficientamento di processi industriali ad alta e bassa temperatura.

Gli obiettivi del presente progetto, una volta raggiunti, permetteranno di correre più velocemente verso la de-carbonizzazione grazie anche alle competenze dei ricercatori DISAT impegnati nello sviluppo di tecnologie energetiche pulite e di materiali avanzati e alla loro grande capacità di trasferimento tecnologico verso il mondo industriale. Le conoscenze acquisite in DISAT potranno infatti contribuire alla crescita industriale dell’Italia nel settore delle energie rinnovabili - in accordo con gli obiettivi dell’articolazione trasversale “Cross-cutting actions” dell’ambito di ricerca e innovazione del PNR 2021-27 “Clima, energia e mobilità sostenibile” - affiancando al trasferimento tecnologico anche la formazione di personale qualificato, secondo la prassi dei percorsi consolidati al Politecnico di Torino. Tali azioni contribuiranno al raggiungimento di tutti gli obiettivi tematici del Green Deal europeo e dell’ambito di ricerca e innovazione del PNR 2021-27 “Clima, energia e mobilità sostenibile” articolazione 4 “Reti e veicoli green e clean”.

È infine importare sottolineare che il presente progetto e le conoscenze conseguentemente acquisite daranno un ulteriore, importante input verso il miglioramento qualità delle pubblicazioni scientifiche del Dipartimento. Il DISAT ha infatti al momento ottime prestazioni, in termine di numero e di qualità delle pubblicazioni, ma esistono margini di miglioramento, evidenti soprattutto se si confronta la produzione scientifica con quella di dipartimenti in altri Atenei con una presenza più rilevante di ricercatrici e ricercatori dell’Area 03. Ad esempio, il numero di pubblicazioni appartenenti al “Top 1% Journal Percentiles by CiteScore Percentile” prodotte dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche dell’Università di Roma “Tor Vergata”, limitatamente agli stessi SSD del DISAT e allo stesso periodo temporale, è pari a 4.9% del totale.

La costituzione del laboratorio di analisi composizionale avanzata, il potenziamento del laboratorio di microscopia e delle risorse di calcolo del DISAT permetteranno quindi di sviluppare ricerche di avanguardia e produrre lavori scientifici di alta qualità con connotazione più marcata nell’Area 03 da pubblicare su riviste top nel settore appartenenti al “Top 1% Journal Percentiles by CiteScore Percentile” e, conseguentemente, con un impatto potenziale decisamente superiore.

[CG1]Qui collegamento: https://www.mase.gov.it/energia/energia-e-clima-2030

[CG2]Qui collegamento: https://www.esfri.eu/

[CG3]Qui collegamento: https://www.nffa.eu/