Ricerca al servizio dell`industria per un mondo migliore - ISMAC

14 Ricerca, Innovazione e Tecnologia
Eventi
Lunedì 3 giugno 2013
■ CNR / Icrm, Ismac e Istm: tre Istituti afferenti al Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologie dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Ecco le loro attività
Ricerca al servizio dell’industria per un mondo migliore
Nei laboratori lombardi si sviluppano linee per una chimica sostenibile e conveniente per le imprese di ogni settore
L
e persone nella foto a
fianco non sono “chimici
che risolvono problemi alla
lavagna”. Meglio vederli come
partner nella propria azienda per renderla competitiva
ed ecosostenibile. Sono i direttori e alcuni ricercatori di
Icrm, Ismac e Istm: tre istituti
del Dipartimento di Scienze
Chimiche e Tecnologie dei
Materiali del Cnr: il Consiglio Nazionale delle Ricerche
(l’ente pubblico più importante in Italia per la ricerca
scientifica).
Focalizzati sulle molecole
hanno tutti in comune la vocazione alla ricerca di base,
intesa come acquisizione di
nuove conoscenze. I frutti
di questa attività di frontiera
scientifica svolta in laboratorio portano alla ricerca applicata. Dalla sperimentazione
in impianto pilota si passa
poi al processo industriale e
al mercato. La ricerca negli
Istituti avviene anche grazie
a collaborazioni regionali,
ISMAC-CNR. RICERCA E SVILUPPO SU POLIMERI E MATERIALI POLIMERICI DI SINTESI, NATURALI E BIOLOGICI
Dalle macromolecole un futuro sostenibile
Optoelettronica, gomma, packaging, tessile avanzato, agroalimentare
e scienza della vita. Per manifatture avanzate, biomedicina e rinnovabili
L’
Ismac (www.ismac.cnr.
it) Istituto per lo Studio
delle Macromolecole, ha la
sede in Milano e due sezioni
a Genova e Biella.
È un centro di ricerca sullo
sviluppo di materiali polimerici specializzato in progettazione, sintesi, assemblaggio e funzionalità di
macromolecole sintetiche e
biologiche e loro applicazio-
ni nel campo tecnologico e
medico.
Le applicazioni sviluppate
servono i settori delle manifatture avanzate, della chimica sostenibile, delle energie
nazionali e internazionali,
o sulla base di contratti con
aziende.
Gli studi di base hanno portato, per esempio, allo sviluppo di nuovi catalizzatori che
richiedono meno energia e
producono meno scorie in
processi utili per l’industria
farmaceutica e dei materiali
polimerici. Nel settore energetico la catalisi permette di
produrre biocarburanti o,
dall’energia solare, idrogeno.
Spiccano pure le soluzioni
per la “Chimica verde” che
culminano con le “bioraffinerie”, per ricavare energia e
prodotti dagli scarti agricoli.
I tre istituti sono a disposizio-
rinnovabili, del tessile, della
biomedicina e dell’agroalimentare.
Si parte dal design e dall’assemblaggio di nuove macromolecole si prosegue con
l’analisi delle funzionalità
anche attraverso calcoli teorici, fino allo sviluppo di
nuovi materiali multifunzionali, compositi e nanocompositi e di prototipi.
I fronti di attività sono tre: ricerca di base e sviluppo di
nuova conoscenza sui fenomeni di sintesi, trasformazione ed assemblaggio delle
macromolecole - sviluppo di
nuovi materiali polimerici
per l’applicazione in svariati
settori e nelle nanotecnologie; - trasferimento tecnologico grazie a collaborazioni
e contratti con università,
enti di ricerca e industrie
nazionali e internazionali.
L’Istituto è diretto da Incoronata Tritto.
Le linee di ricerca
Catalisi sempre giovane
per nanoibridi polimerici e polimeri funzionali
I catalizzatori metallocenici, scoperti negli anni ’50
e rivisitati negli anni ’80 in
versione chirale, sono in grado di sintetizzare un’infinita
varietà di strutture polimeriche, ben oltre le potenzialità
dei catalizzatori tradizionali:
elastomeri
termoplastici,
polietilene ad altissima densità, copolimeri dei dieni e
delle cicloolefine, copolimeri
con monomeri funzionali.
I moderni sistemi catalitici
post-metallocenici producono polimeri a blocchi, multiblocchi e ramificati oltre che
da fonti rinnovabili. L’Istituto è impegnato alla frontiera di queste ricerche nella
sintesi di nuovi materiali ad
ne per le aziende, anche Piccole e Medie, che intendano
sviluppare soluzioni che diano competitività. “Già con un
assegno di ricerca annuale da
22mila euro si potrebbe fare
molto”, dicono i ricercatori.
Un fantastico esempio di integrazione tra mondo della
ricerca accademica e industria fu quello che nel 1963
valse il premio nobel per la
Chimica a Giulio Natta. In
quel caso fu la storica industria Montecatini a sostenere
la ricerca che portò alla sintesi di polimeri stereoregolari:
l’inizio di una rivoluzione nel
campo dei materiali. E ora
più che mai si sente il bisogno
di unire di nuovo le forze.
ISTM-CNR. ISTITUTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE
Eventi
Lunedì 3 giugno 2013
Ricerca, Innovazione e Tecnologia
Da sinistra: il direttore
dell’Istituto per lo Studio
delle Macromolecole
(Ismac) Incoronata Tritto
e la ricercatrice Marinella
Catellani. Due ricercatori
dell’Istituto di Scienze
e Tecnologie Molecolari
(Istm): Vladimiro
Dal Santo e Nicoletta
Ravasio, con (in piedi),
il direttore Rinaldo
Psaro. Il direttore
dell’Istituto di Chimica
del Riconoscimento
Molecolare Sergio Riva
e il ricercatore
Gianluca Ottolina
ICRM-CNR. ISTITUTO DI CHIMICA DEL RICONOSCIMENTO MOLECOLARE
Decifrare il linguaggio delle molecole per industria e salute
Le parole chiave: biocatalisi, sostanze naturali bioattive, biochimica
strutturale, bioinformatica, microsistemi analitici, proteomica
C
C
elle solari di ultima generazione per dispositivi fotovoltaici più efficienti e alternativi, o
complementari, alla tecnologia
basata sul silicio. Idrogeno ricavato da processi tradizionali ma
anche dal sole, dall’acqua o dalle
Nanobiotecnologie, Fotovoltaico, Idrogeno e Processi chimici puliti
e l’imaging in vivo. Sembra fantascienza, invece ci stanno lavorando all’Istm, Istituto di Scienze
e Tecnologie Molecolari, (www.
istm.cnr.it). L’istituto afferisce al
Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologie dei Materiali del
Le linee di ricerca
architettura controllata per
applicazioni ottiche, dispositivi biomedicali, per packaging, per nuovi elastomeri e
materiali ad alto impatto, per
automotive e materiali ibridi
nano compositi come, per
esempio, materiali fluorescenti o a base di nanotubi di
carbonio e grafeni.
Elettronica Plastica:
flessibile, leggera,
economica
L’Ismac progetta e sviluppa
nuovi materiali organici a
base di polimeri e molecole in grado di aggregarsi in
nanostrutture supramolecolari. Con questi materiali
si costruiscono dispositivi
elettronici organici leggeri,
sottili, flessibili, a basso costo ed eco-sostenibili come
Oled per schermi e per illu-
Foto al
microscopio in
luce polarizzata
di cristalli liquidi
confinati in un
film polimerico
nano strutturato
per schermi
Oled flessibili
I Cluster regionali R
per le Piccole
e Grandi imprese
lombarde
minazione a basso consumo,
celle solari organiche e ibride
di terza generazione, memorie, smart card, dispositivi a
radio fequenza, sensori e dispositivi diagnostici.
I materiali plastici sono lavorati con processi economici e
veloci che creano dispositivi
di ampia superficie stampabili con ink-jet printing, rollto-roll o serigrafia.
Struttura e aggregazione
di proteine per
battere anche l’Alzheimer
e preparare nuovi
bio-nanomateriali
L’Ismac ha studiato il meccanismo con cui alcune proteine presenti nelle cellule di fegato e intestino Bapb, legano
e trasportano gli acidi biliari
(molecole molto importanti
per la regolazione del metabolismo). La conoscenza
molecolare dei meccanismi di riconoscimento tra
Babp e ligandi endogeni ha
permesso di sviluppare un
nuovo bio-nanomateriale,
in cui la proteina incapsula
una molecola fluorescente
conferendole
interessanti
proprietà ottiche anche allo
stato solido, per applicazioni
nell’optoelettronica.
L’aggregazione di peptidi
beta amiloidi, generati dalla proteolisi della proteina
App, tossici per le cellule
egione Lombardia sta sviluppando una serie di Cluster Tecnologici. Sostenuti anche da finanziamenti europei, permetteranno l’incontro tra imprese (grandi e Pmi),
università ed enti di ricerca e tra finanziatori e Pa. I settori individuati sono: Agrifood,
Aerospazio, Tecnologie per gli ambienti di vita, Mezzi e sistemi per la mobilità, Energia,
Chimica Verde, Scienza della vita, Fabbrica intelligente, Tecnologie per le Smart Communities. I tre Istituti “chimici” del Cnr partecipano, a vario titolo, ai cluster: Agrifood,
Chimica Verde, Energia e Fabbrica Intelligente. In particolare, i progetti “Energia solare
e idrogeno” e “Suschem Lombardia” fanno parte delle iniziative dell’Accordo Quadro
tra Regione e Cnr del luglio 2012 (Avviso n.173/2013). Provvedimento pubblicato sul
Burl serie ordinaria n. 18 del 3 maggio 2013.
Proteina App
Aggregati oligomerici
di Beta amiloide (1-42)
neuronali, è ritenuta tra le
principali cause dell’Alzheimer. Per trovare le cause del
procedere della malattia e
quindi una terapia, oggi non
disponibile, si determinano
struttura, composizione e
neurotossicità di ogni stato
di aggregazione.
Si sta anche mettendo a
punto la funzionalizzazione
chimica di sonde per microscopia a forza atomica (microcantilever) per chiarire
l’interazione tra i diversi beta amiloidi. Le applicazioni
serviranno anche al riconoscimento di specifiche molecole in liquidi biologici.
Per il rilancio del Tessile
La sezione di Biella è dedicata tutta al settore tessile. Oltre
alla ricerca dà un importante
contributo alle industrie con
supporti analitici e consulenze. Assicura anche fondamentali servizi alle Ppaa
(Capitolati Tecnici destinati
a Corpi Civili e Militari dello
Aggregazione
dei frammenti
oligomerici di
Abeta 1-42 (visti
con AFM, barra
= 500 nm) dopo
degradazione
della proteina
App
Stato) e alle dogane e Camere di Commercio per la lotta
alla contraffazione e tutela
della salute dei consumatori.
Le linee di ricerca sonoProduzione di nanofibre per
applicazioni
biomedicali;
- Funzionalizzazione superficiale di tessili mediante
trattamenti in plasma; -Produzione di nuovi finissaggi
per dare ai tessili proprietà
di conduzione elettrica e di
antibattericità; - Sviluppo di
un nuovo metodo proteomico per il riconoscimento oggettivo e la quantificazione
delle fibre animali pregiate
(cashmere); - Estrazione e
riutilizzo di proteine (cheratina) provenienti dalle
fibre di lana di scarto per
usi ad alto valore aggiunto
in vari campi; - Valutazione
del comfort e dei parametri
fisiologici (proprietà di trasporto termico e di vapore)
e misurazioni oggettive delle
proprietà tattili dei materiali
tessili.
Le linee di ricerca
MOLECOLARI. DALLE MOLECOLE ALLE NANOPARTICELLE
biomasse. Ricerche sulla Bioraffineria per insediamenti industriali
sempre più ecocompatibili. E ancora: sintesi di nuove molecole per
ridurre consumi d’energia e scarti
industriali. Innovativi nanomateriali per la diagnostica molecolare
Dispositivi con
specifiche funzioni
La ricerca dell’Istituto nelle
nanoscienze sviluppa materiali per applicazioni catalitiche, foto-catalitiche, magnetiche oltre alla progettazione
e sintesi di nuove molecole e
materiali organici, metallorganici e ibridi da utilizzare
come fotosensibilizzatori in
celle solari di terza generazione (Dssc o Celle di Grätzel e
organiche) composti foto ed
elettrochemilumiscenti per
lo sviluppo di sensori e biosensori. Ma anche nanoparticelle magnetiche funzionalizzate per diagnosi e terapia
dei tumori (ipertermia magnetica e Mri) e nanoparticelle a base d’oro come nuovi
agenti di contrasto per Tac.
Le ricerche implicano tecniche di autoaggregazione di
molecole con funzioni specifiche (approccio “bottomup”) e sono una metodologia
promettente per lo sviluppo
delle nanotecnologie e per
la costruzione di dispositivi
con dimensioni inferiori a
100 nm. Apparecchi all’avanguardia per la sintesi chimica
consentono sperimentazioni
efficaci. Invece, al “Centro
per la caratterizzazione morfologica, strutturale e composizionale a livello massivo
e nanometrico di materiali
Eu3 + C1
nano-strutturati” - sono presenti: microscopico elettronico
ad alta risoluzione; microscopio a forza atomica; magnetometro Squid, spettrofotometro
Icp-Aes.
Produzione di idrogeno:
quali prospettive?
Nell’Istituto opera il “laboratorio dei materiali catalitici per
la produzione di idrogeno”
del network “Eric” (European
Research Institute on Catalysis). Le attuali linee di ricerca
mirano a catalizzatori eterogenei per produrre idrogeno con
processi tradizionali di reforming di sostanze rinnovabili
(biomasse e rifiuti). Un’altra
attività riguarda lo sviluppo
di materiali fotocatalitici per
ricavare idrogeno da energia
solare e acqua. Più recenti sono
gli studi di foto-elettro-catalisi:
tecnologia che permette anche
l’uso di corrente elettrica (prodotta, per esempio da celle solari) per aumentare l’efficienza
del processo di produzione di
Idrogeno.
Bioraffineria: la chimica
per il futuro sostenibile
Intensa è la ricerca nella Chimica Verde. In particolare
nella Bioraffineria dove sono
messe a punto nuove tecniche
di sintesi di molecole utili per
le fragranze o come intermedi
di principi attivi farmaceutici
(Api) per ridurre o eliminare
Materiali con
proprietà
luminescenti
Cnr. Ha la sede principale a Milano (presso il Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi) e
nel Polo Scientifico Tecnologico
Irccs Multimedica, oltre a altre due
sedi a Padova e Perugia. L’Istm è
diretto da Rinaldo Psaro.
+ Tb3 C1
TEOS, EtOH
HCI, H2O
Materiali emettitori
a base di complessi
luminescenti di
lantancidi
Matrice SOL-GEL
He - Cd
325 nm
Luce solare
A lato: Materiali nanostrutturati per
la produzione di idrogeno dall’acqua
gli scarti, evitare l’uso di metalli nobili mutageni e di operare in condizioni di reazione
blande con ridotto consumo
di energia, nonché di adottare
protocolli molto più sicuri per
gli operatori. Si esplora anche
l’impiego di materie prime da
fonte rinnovabile, principalmente biomassa, per produrre
biocarburanti e bio-prodotti.
Vivace è pure l’attività sull’utilizzo di oli vegetali. Ma si usa
anche cellulosa, trementine e
oli essenziali, con particolare
risalto agli scarti di altre produzioni. Questa attività si concretizza in progetti internazionali,
nazionali e regionali (di cui si
parla nel riquadro sotto).
Chimica computazionale
Un’altra importante linea di
ricerca è la Nanoingegneria
chimica computazionale e
strutturale che studia, progetta
e ottimizza sistemi complessi
e nuovi materiali. L’approccio
modellistico e di calcolo pone
H2
O2
H2O
V
α-Fe2O3
TCO
l’enfasi sugli aspetti interpretativi, predittivi e di manipolazione della materia; quello
strutturale mediante diffrazione di raggi X e di densità elettronica sul caratterizzare la reale natura di un sistema, inclusa
la difettualità e non conformità
a un modello inevitabilmente approssimato. Lo scorso 5
aprile la Royal Swedish Academy of Sciences ha premiato
il dottor Carlo Gatti (Cnr-Istm,
Milano) e il professor Mark
Spackman (University of Western Australia, Crawley) con
la medaglia Gregori Aminoff
2013 in cristallografia.
La regione Lombardia finanzia la ricerca chimica
PROGETTO VELICA: DALLA BIORAFFINERIA
TANTI PRODOTTI PULITI. Il progetto VeLiCa (acronimo
di Vegetali Lino Canapa) è esemplificativo di una filiera chimica
sostenibile basato sul concetto di “bioraffineria”: centrali dove la
trasformazione delle biomasse genera non solo energia ma anche prodotti per ogni tipo di impiego. Sfruttando ogni parte delle
piante (dall’involucro del seme alle fibre dei gambi) si ricavano oli
e sostanze per produrre prodotti chimici, dai biocarburanti ai lubrificanti poco inquinanti a nuovi materiali elastici e resistenti, utiliz-
zabili per esempio nell’automotive (al posto delle fibre di vetro o
sintetiche) o nelle pale eoliche. E ancora nell’edilizia (con materiali
isolanti autoportanti costituiti solo da fibre di canapa e scarti di
fibre di lana) e nell’arredamento, fino alle cassette della frutta. Il
tutto riciclabile più volte fino all’ultima fase: quella del riciclo termico grazie all’incenerimento. Per informazioni: www.velica.org
ENERGIA SOLARE E IDROGENO. Inoltre, nell’ambito dell’Accordo Quadro tra Regione e Cnr del luglio 2012 Istm
ne (Uos) di Icrm. La ricerca di base si occupa
di regolazione biologica, interazioni recettoreligando o enzima substrato, folding e dinamica
di peptidi e proteine.
Gli aspetti applicativi interessano le metodologie chimiche e biotecnologiche per la produzione, caratterizzazione e analisi di composti
di interesse chimico-farmaceutico, alimentare,
ambientale e biomedico.
Il Direttore dell’Istituto è Sergio Riva.
onoscere i fenomeni che guidano le interazioni tra molecole per potere rispondere
ai bisogni dell’industria, della salute e dell’ambiente. Sono questi gli studi che impegnano
l’Icrm (www.icrm.cnr.it), con sede principale a
Milano, in via Mario Bianco.
Ricercatori dell’Istituto sono anche presenti al
Dipartimento “Giulio Natta” del Politecnico di
Milano e al Policlinico “Gemelli” dell’Università Cattolica di Roma, sedi delle due unità ester-
Nanoscienze per Energia, Chimica Verde e Salute
Dal laboratorio all’industria:
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e Ismac partecipano al progetto “Tecnologie e materiali per
l’utilizzo efficiente dell’energia solare”. In particolare Istm-Cnr
coordinerà le attività di ricerca sui Materiali e tecnologie per la
conversione diretta di energia solare in idrogeno e Ismac-Cnr
quelle sul Fotovoltaico organico e ibrido.
SUSCHEM, TUTTO PER LA CHIMICA SOSTENIBILE. Il progetto “Suschem Lombardia” (acronimo di Sustainable
Chemistry: chimica sostenibile in italiano), coinvolge i tre istitu-
ti. Mira a ricavare energia tramite processi di chimica verde da
biomasse “non food” (come scarti agricoli o esuberi alimentari).
Nuove tecniche di catalisi omogena, eterogenea ed enzimatica saranno finalizzate a produrre intermedi e materiali derivati da fonte
rinnovabile per il settore farmaceutico, cosmetico, degli additivi e
dei materiali polimerici. Questo porterà a una riduzione dei consumi e dei residui nocivi nei processi industriali. Le competenze acquisite porteranno alla nascita di un Centro di Eccellenza a servizio
delle industrie chimiche, cosmetiche e farmaceutiche lombarde.
La Bioinformatica
simula per curare
Capire le cause di una malattia serve a trovare le cure
adeguate. Con programmi
di calcolo sviluppati ad hoc
si simulano al computer la
struttura delle proteine e
i loro processi di aggregazione, spesso dannosi e alla
base di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.
L’analisi aiuta a chiarire la
ricaduta che mutazioni, anche di singoli aminoacidi,
hanno su questi fenomeni.
Un altro obiettivo è l’identificazione delle proprietà
molecolari delle mutazioni
di cellule tumorali che possano rispondere a terapie
mirate con piccole molecole.
Nello studio della dinamica
e della specificità dell’interazione proteina-ligando e
proteina-proteina si elaborano farmacofori utili per
progettare razionalmente
nuovi farmaci attraverso il
design e/o lo screening virtuale di molecole.
Microanalitica: un
laboratorio in un chip
La micro e la nano-tecnologia consentono di realizzare dispositivi capaci di
eseguire in un singolo chip
(grande pochi millimetri o
centimetri quadrati) analisi
complesse di solito svolte
con più strumenti.
Questi dispositivi, chiamati
“Lab-on-a-chip”, permettono un basso consumo di
volumi di fluido e di reagenti e necessitano di minime
quantità di campione da
analizzare. In diagnostica
clinica i sistemi Lab-on-achip svolgono a basso costo
e in modo automatico un
alto numero di analisi in parallelo con strumentazioni
portatili: l’obiettivo è infatti
arrivare a svolgere analisi a
domicilio o in ambulatorio.
Il team di Icrm collabora
con Istituti italiani e stra-
Dinamica
molecolare di
una proteina
coinvolta
nello sviluppo
tumorale
nieri in progetti finanziati
prevalentemente da fondi europei. Alcuni esempi
riguardano lo sviluppo di
chip per la diagnosi del
morbo di Alzheimer a partire dal fluido cerebrospinale,
la rivelazione di mutazioni
fetali da campioni di sangue
materno e la rivelazione di
contaminanti microbici e di
tossine batteriche in campioni alimentari.
Biocatalisi:
la forza della natura
per la chimica
sostenibile
La biocatalisi implica l’uso
di enzimi o di cellule intere per fare avvenire (“catalizzare”) reazioni chimiche
in laboratorio. Nell’ambito
delle biotecnologie industriali essa è fondamentale
per lo sviluppo di una chimica sostenibile. Richiede
la collaborazione di diversi
specialisti, come biochimici, microbiologi, chimici
organici e ingegneri chimici. Gli enzimi - i catalizzatori della natura - funzionano con elevata attività
e straordinaria selettività
(riducendo così la formazione di sottoprodotti) in
Microarrey a
fluorescenza
analizzati
grazie a un
innovativo
detector
sviluppato da
Icrm e Boston
University
condizioni blande (basse temperature, pressione
ambiente, …) e in sistemi
acquosi, limitando l’uso di
solventi organici e riducendo l’impatto ambientale. Il
numero di biocatalizzatori a disposizione è sempre
in aumento e l’ingegneria
proteica - migliorandone le
proprietà - consente di superare molti limiti degli enzimi “wild type” presenti in
natura. Molti processi enzimatici efficienti ed economicamente redditizi sono
utilizzati per produzioni industriali. Alcuni sono frutto
della ricerca dell’Icrm.
Il sapore e l’odore
delle molecole
Gusto e olfatto (ben due
sensi su cinque dunque)
funzionano grazie a interazioni “chimiche” basate sul
riconoscimento delle molecole responsabili dei sapori
o degli odori da parte di
specifici recettori biologici.
È un’interazione così selettiva che piccole variazioni
della struttura molecolare
portano a percezioni sensoriali molto differenti.
Primo obiettivo di questa
linea di ricerca è sviluppare
metodi sintetici stereoselettivi che diano accesso solo
agli isomeri biologicamente
attivi (o più attivi) delle sostanze desiderate.
Altro aspetto della ricerca
riguarda l’individuazione e
quindi la preparazione delle
forme attive di composti di
interesse commerciale, di
solito venduti come miscele, per sviluppare prodotti
qualitativamente superiori.