Una visione d'insieme
Le ricerche in Fisica delle basse temperature presuppongono la realizzazione di esperimenti a temperature criogeniche o la termalizzazione dei detectors a temperature inferiori a 80 K (-193 °C)
Per raggiungere le temperature necessarie si utilizzano tipicamente elio liquido (4 K pari a -269 °C) e azoto liquido (77 K pari a -196 °C), che sono prodotti dai liquefattori di elio e di azoto attualmente nella disponibilità del Gruppo.
Il Gruppo raccoglie la quarantennale tradizione di ricerca nelle basse temperature che, cominciata nell'Istituto di Fisica, prosegue l'attività sino a tutt'oggi nel dipartimento MIFT.
Tale attività ha portato alla formazione di decine fra ricercatori, tesisti, dottorandi e tecnici specializzati,alla creazione del substrato culturale e del know-how di cognizioni ed esperienze per il corretto impiego delle tecnologie “del freddo” (e quindi del vuoto e dell'ultra-vuoto) e delle ricerche ad esse relate, allo sviluppo di competenze nella progettazione e realizzazione, totalmente in house, di strumentazioni altamente sofisticate (criostati ad He4 ed a diluizione He3-He4, calorimetri, conduttimetri e bolometri operanti a bassissime temperature), alla individuazione e sviluppo di numerose linee di ricerca che spaziano dalla biofisica alla energetica sostenibile, alla realizzazione di nuovi laboratori (di Alte Pressioni, di Spettroscopia Ottica, di Calorimetria e analisi termica, di Spettroscopia dielettrica).
La produzione di centinaia di pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali censite, altrettante fra comunicazioni orali e su invito a congressi nazionali ed internazionali, testimonia l'impegno e l'alto grado di competenze patrimonio del Gruppo stesso.
Attività di ricerca
- Fisica fondamentale origine delle dinamiche vibrazionali e rilassamentali in sistemi con disordine strutturale e/o dinamico, accoppiamento elettrone-fonone, per applicazioni nell'ambito di tecnologie optoelettroniche ed energetiche;
- Fisica e caratterizzazione di materiali di interesse applicativo (fra cui vetri, polimeri, biopolimeri, argille, materiali nanostrutturati, materiali a bassa dimensionalità fra cui il grafene, perovskiti organo-metalliche di alogeni) per applicazioni con interessi che spaziano dall’aerospaziale, al drug-delivery, dalla realizzazione di celle fotovoltaiche di terza generazione, alla produzione di elettrodi per foto- ed elettro-catalisi;
- Fisica e caratterizzazione di sistemi di interesse biologico (membrane lipidiche, proteine), per la comprensione della struttura e funzione biologica.
Obiettivi principali
Obiettivo principale è comprendere il ruolo dei modi collettivi (fononi e moti coerenti di unità molecolari) di bassa energia (E<10meV=2THz) e del disordine nel determinare e influenzare:
- le proprietà macroscopiche termodinamiche, meccaniche e la stabilità dei sistemi condensati per la progettazione di materiali con proprietà fisico-chimiche (rigidità, conducibilità termica ed elettrica, nanostrutturazione, etc.) ottimizzate per applicazioni che spaziano dalla nanomedicina, all’energetica;
- le proprietà e la funzione delle biomolecole fra cui la loro influenza sul folding delle proteine, sui cambi conformazionali, sulle interazioni di binding e di solvatazione, sulla comunicazione cellulare;
- le proprietà di trasporto di cariche e i loro processi di ricombinazione attraverso le interazioni elettrone-fonone in sistemi di bassa dimensionalità e perovskiti al fine di comprenderne il funzionamento e migliorarne le performances attraverso una ingegnerizzazione, opportunamente mirata, della composizione chimica dei materiali investigati.
Tutti gli studi descritti prevedono attività sperimentali legate all'uso di liquidi criogenici indispensabili sia per il raggiungimento di basse temperature alle quali si svolge l'esperimento, sia per il corretto funzionamento dei detectorsa corredo di apparati sperimentali, sia per la preparativa di campioni liofilizzati che per la loro conservazione.
Tecniche sperimentali impiegate legate all'uso di liquidi criogenici
- Generazione e rivelazione di onde ultrasonore [misurazione dell’assorbimento e velocità ultrasoniche a basse temperature (0.1 K < T < 300 K )];
- Calorimetria a bassa temperatura [misurazione del calore specifico 0.1 K < T <100 K],
Conduttimetro termico a basse temperature [misurazione della conducibilità termica nella regione 1 K < T < 300 K ]; - Spettroscopia infrarosso a trasformata di Fourier (FTIR);
- Microscopia Raman [misure Raman a bassa frequenza e basse temperature, T<70 K ];
- Spettroscopia Raman stimolato al femtosecondo;
- Differential Scanning Calorimetry DSC [misure di calore specifico, studio delle transizioni e delle separazioni di fase nella regione 70 K < T <800 K];
- Calorimetro isotermico a titolazione ITC,
Dilatometro termico [misure di espansione termica in solidi nell'intervallo termico 70 K < T <1200 K];
Spettroscopia dielettrica.
Note
Il consumo annuo di liquidi criogenici, con laboratori in piena attività, è stimato in:
- 500 litri elio;
- 12000 litri azoto.
Si consideri infine che l’elio, evaporato negli esperimenti di basse temperature, non viene perso ma, attraverso linee di recupero, convogliato alla linea di compressione e nuovamente liquefatto per più cicli, con ciò rendendo sostenibili le nostre ricerche sia dal punto di vista finanziario che ambientale (viene preservata la risorsa limitata di elio).