Simulazioni e modellistica di fenomeni di trasporto in membrane ed operazioni a membrana per mezzo dei metodi della chimica computazionale

L'attività di ricerca riguarda lo studio e lo sviluppo di membrane polimeriche nanostrutturate e la comprensione dei loro meccanismi permeo-selettivi per mezzo di strumenti computazionali avanzati, a livello di multi-scala. Molti processi di fondamentale importanza nell'industria chimica, nelle biotecnologie, nell'ingegneria biomedicale, infatti, dipendono dalle proprietà di trasporto di molecole permeanti in materiali polimerici come ad es. membrane permeoselettive, materiali per packaging, lenti a contatto permeabili all'ossigeno o sistemi a rilascio di farmaci. Gli studi computazionali di membrane servono ad ottenere una visione a risoluzione atomica dei processi coinvolti e per guidare la sintesi di nuovi prodotti e materiali. Le tematiche di ricerca riguardano i seguenti temi:

• Lo studio delle proprietà strutturali di membrane artificiali, di natura polimerica, inorganica e di semicristallina, per separazioni molecolari; analisi del volume libero e della relazione tra rigidità e performances dei materiali con tecniche di dinamica molecolare;

• Lo studio delle proprietà di trasporto, in termini di descrizione dei fenomeni di diffusione e di assorbimento di permeanti gassosi e in fase vapore con tecniche di dinamica molecolare;

• Modellistica a livello molecolare di processi a membrana quali l'osmosi inversa, attraverso la comprensione dettagliata del trasporto di acqua e reiezione si soluti;

• Progettazione di materiali con funzionalità desiderate e la comprensione delle stesse proprietà con un approccio multi-scala, combinando le simulazioni molecolari con i metodi mesoscala. 

Stato dell'arte

La modellistica applicate alla scienza dei materiali è progredita notevolmente negli ultimi anni, diventando uno strumento utile alla comprensione delle proprietà strutturali e di comportamento (ad es. trasporto di massa) dei materiali diventando, in alcuni casi uno strumento predittivo in quanto fornisce le informazioni chiave per l'identificazione di nuovi materiali. La questione più cruciale legata alla modellazione in applicazioni industriali è nella formulazione di modelli che riproducano in modo coerente risultati realistici.

Lo sviluppo di metodiche computazionali a livello multiscala, dai metodi elettronici, a quelli atomistici, ai modelli mesoscopici fino ai modelli continui, e la capacità di integrarli, è un fattore chiave per la soluzione di problemi di importanza pratica. Tale approccio è facilitato dalla crescita esponenziale che si è avuta in questi ultimi anni nelle potenzialità di calcolo offerte dagli odierni elaboratori, affiancata dai notevoli sviluppi nelle metodologie teoriche e negli algoritmi.