> FocusUnimore > numero 55 – febbraio 2025
FAR 2024: Three projects from the PE Macrosector funded under the Unimore Line
Three research projects funded through Unimore’s FAR 2024 call for proposals for the ERC Macrosector of Physical, Chemical and Engineering Sciences (PE) will each receive €80,000 in funding. The selected projects are: ‘Revolutionizing All-Solid-State Sodium Batteries with Advanced Computational Tools and Mixed Glass Former Effects’, coordinated by Prof. Alfonso Pedone (DSCG), ‘NextPyter: Open-Source Collaborative Platform for Interdisciplinary Research’, coordinated by Prof. Claudia Canali (DIEF), and ‘NT-ROBOT – Nanostructured Thermal Energy Harvesters for ROBOTic Platforms’, coordinated by Prof. Francesco Rossella (FIM). The solid-state sodium project addresses the challenge of sodium batteries as an alternative to lithium batteries, using advanced computational models to optimise solid electrolytes. The ‘NextPyter’ project aims to develop an open-source platform to foster interdisciplinary collaboration, tested in the context of literary and cultural studies. Finally, ‘NT-ROBOT’ focuses on thermoelectric devices based on semiconductor nanowires for robotic applications, aiming at innovations in thermal control in autonomous robots. All three projects promote collaboration between different disciplines and exploit advanced technologies to meet modern scientific and technological challenges, with a strong impact in both research and industry.
I progetti di ricerca finanziati da Unimore attraverso il bando FAR – Fondo di Ateneo per la Ricerca 2024 – Linea Unimore per il Macrosettore ERC di Scienze fisiche, chimiche e ingegneristiche – PE sono tre, ognuno dei quali ha ricevuto un finanziamento di 80mila euro.
I progetti selezionati sono: “Revolutionizing All-Solid-State Sodium Batteries with Advanced Computational Tools and Mixed Glass Former Effects” (Rivoluzionare le batterie al sodio allo stato solido con strumenti computazionali avanzati ed effetti di formatura del vetro misto), coordinato dal Prof. Alfonso Pedone del Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, il progetto “NextPyter: Open-Source Collaborative Platform for Interdisciplinary Research” (Piattaforma collaborativa open source per la ricerca interdisciplinare), coordinato dalla Prof.ssa Claudia Canali del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” e il progetto “NT-ROBOT – Nanostructured Thermal energy harvesters for ROBOTic platforms” coordinato dal Prof. Francesco Rossella del Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche.
Il progetto coordinato dal Prof. Pedone si propone di affrontare una delle principali sfide nell’ambito delle batterie al sodio a stato solido, considerate una soluzione promettente per lo stoccaggio di energia su larga scala. Queste batterie rappresentano un’alternativa sostenibile e conveniente rispetto alle batterie al litio, grazie all’abbondanza di sodio, al minor costo e alla maggiore sicurezza offerta dagli elettroliti solidi rispetto a quelli liquidi tradizionali. Tuttavia, l’implementazione su vasta scala è ostacolata dalla mancanza di conoscenze dettagliate sulle relazioni tra composizione chimica, struttura e proprietà dei materiali usati come elettroliti.
L’obiettivo principale del progetto è sviluppare modelli computazionali innovativi che consentano di prevedere e ottimizzare le proprietà degli elettroliti solidi amorfi a base di sodio, con un’attenzione particolare ai tiofosfati e ossisolfuri di sodio vetrosi. Questi materiali presentano un enorme potenziale per migliorare la conduttività ionica e la stabilità chimica ed elettrochimica dell’elettrolita, elementi chiave per garantire prestazioni elevate e durata nel tempo delle batterie.
Per raggiungere questo traguardo, il progetto utilizza un approccio interdisciplinare basato su simulazioni molecolari avanzate e tecniche di apprendimento automatico (machine learning). In particolare, saranno sviluppati potenziali interatomici basati su dati di teoria del funzionale della densità (DFT), capaci di combinare l’accuratezza delle simulazioni quantistiche con la velocità e l’efficienza dei metodi classici. Questi strumenti permetteranno di studiare i materiali su scale temporali e spaziali molto più ampie rispetto alle tradizionali simulazioni ab initio, consentendo di esplorare nuovi composti e di ottimizzare le loro prestazioni in modo rapido e accurato.
Uno degli aspetti più innovativi del progetto è lo studio del cosiddetto “Mixed Glass Former Effett” (MGFE), ovvero l’influenza che la combinazione di diversi anioni (come ossigeno e zolfo) e cationi (come fosforo, boro e silicio) ha sulla struttura e sulle proprietà degli elettroliti. Questo effetto può portare a una significativa ottimizzazione delle proprietà, come l’aumento della conduttività ionica o la stabilità ai bordi di grano e agli elettrodi. Comprendere e controllare il MGFE è fondamentale per progettare materiali che combinino alte prestazioni e costi ridotti, rendendo le batterie al sodio una soluzione competitiva per l’accumulo di energia su larga scala.
Il progetto si avvale delle competenze di due gruppi di ricerca del Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche e del Dipartimento di Fisica, Informatica e Matematica dell’Università di Modena e Reggio Emilia. Grazie a questa sinergia, sarà possibile integrare metodologie all’avanguardia nel campo delle simulazioni computazionali, sviluppando modelli che non solo consentiranno di studiare le proprietà strutturali e dinamiche dei materiali, ma forniranno anche strumenti per il design assistito al computer di nuovi elettroliti solidi con proprietà ottimizzate.
“Ringrazio profondamente l’Ateneo per aver sostenuto questo progetto tramite il Fondo di Ateneo per la Ricerca. Questo finanziamento ha rappresentato un’opportunità unica per affrontare una sfida scientifica di grande attualità, consentendo anche di avviare una collaborazione con l’Iowa State University, un prestigioso gruppo di ricerca internazionale. Inoltre, da questo progetto è nata una proposta progettuale che sarà presto presentata al bando FIS3, ampliando ulteriormente gli obiettivi e l’impatto delle nostre ricerche” – ha commentato il responsabile del progetto Prof. Alfonso Pedone.
Il progetto di ricerca coordinato dalla Prof.ssa Canali si basa sulla proposta di NextPyter, una piattaforma collaborativa open-source per la ricerca interdisciplinare con l’obiettivo di semplificare i flussi di lavoro complessi e favorire la collaborazione tra i membri di team di ricerca di diverse discipline. La piattaforma NextPyter presenta caratteristiche innovative ed un grande potenziale nel porsi come strumento abilitante di una cooperazione efficace tra ricercatori provenienti da ambiti tecnologici e delle scienze umane, offrendo numerosi vantaggi per progetti di ricerca interdisciplinari.
La piattaforma integra il framework Jupyter Notebook in un flusso di lavoro di ricerca più ampio, progettato per supportare i ricercatori provenienti da contesti multidisciplinari, consentendo l’utilizzo di strumenti come i Jupyter Notebook in combinazione con meccanismi di archiviazione di file online e di condivisione, supportando al contempo la collaborazione in tempo reale direttamente all’interno del Notebook con un’interfaccia molto intuitiva per gli utenti.
Per dimostrare il potenziale di NextPyter nel facilitare la collaborazione interdisciplinare e offrire un ambiente flessibile, intuitivo e ad alte prestazioni, la piattaforma verrà testata su un caso di studio nell’ambito degli studi letterari e culturali. Attraverso la piattaforma collaborativa, i ricercatori avranno la possibilità di creare immagini a partire da descrizioni in linguaggio naturale, sfruttando algoritmi di intelligenza artificiale generativa.
In particolare, attraverso un’analisi dell’Inamoramento de Orlando di Matteo Maria Boiardo e dei giardini perduti della Ferrara rinascimentale, il progetto persegue due obiettivi distinti: il primo è svelare nuove possibilità interpretative del testo letterario di Boiardo attraverso la creazione di immagini che derivano direttamente dal testo, il secondo, combinare le informazioni filologiche estratte dal testo con dati provenienti da studi archeobotanici per generare immagini che aiutino a ricostruire fedelmente un elemento perduto del passato, come i giardini della Casa d’Este.
Le immagini prodotte dall’intelligenza artificiale generativa inaugurano un nuovo modo di fruire il testo letterario: un processo che, partendo dal testo, lo rielabora visivamente per offrire una nuova interpretazione.
Il progetto unisce le competenze di due gruppi di ricerca del nostro Ateneo con diverse competenze e ambiti di attività. Il team del Dipartimento di Ingegneria ‘Enzo Ferrari’, guidato dalla Prof.ssa Claudia Canali, responsabile scientifica del progetto, che comprende il Prof. Riccardo Lancellotti e il Dott. Francesco Faenza e che si occupa di sistemi di Cloud ed Edge Computing ad alte prestazioni e sicurezza informatica, collaborerà con il gruppo di ricerca del Dipartimento di Studi Linguistici e Culturali, composto dalla Prof.ssa Elisabetta Menetti e dalla Dott.ssa Cecilia Marchetti, le cui attività di ricerca si focalizzano su letteratura narrativa medievale, rinascimentale e contemporanea, Digital Humanities e Edizioni digitali.
“Questo progetto rappresenta un concreto e promettente esempio di collaborazione interdisciplinare, – dichiara la Prof.ssa Claudia Canali, responsabile scientifica del progetto –. Grazie al finanziamento ottenuto dall’Ateneo, confidiamo di poter fornire un importante e innovativo contributo alla ricerca, attraverso lo sviluppo di una piattaforma in grado di facilitare flussi di lavoro complessi e promuovere la collaborazione tra ricercatori di diversi ambiti, offrendo un ambiente intuitivo per processamento e analisi dati sicuri e in tempo reale su Notebook, arricchito da un sistema di archiviazione file e accessibile tramite un’interfaccia Web.”
La ricerca applicata alla generazione e manipolazione di energia sostenibile è di cruciale importanza per la nostra società. In questa direzione, un enorme potenziale risiede nei materiali e nei dispositivi termoelettrici, in grado di convertire una differenza di temperatura in una differenza di tensione e quindi in una corrente elettrica. Ad esempio, la gestione del calore e il recupero del calore residuo tramite convertitori termoelettrici ad alta efficienza sono elementi chiave per le applicazioni dei dispositivi autoalimentati.
Il progetto NT-ROBOT mira a stabilire nuove strategie per il controllo dei parametri termoelettrici in sistemi basati su nanofili di semiconduttori, sviluppando tecnologie per applicazioni robotiche, ovvero piattaforme termoelettriche nanostrutturate basate su semiconduttori per la gestione del calore in robot cognitivi umanoidi a guida autonoma. Il progetto è sostenuto da Oversonic Robotics s.r.l., mentre i nanomateriali di partenza per lo sviluppo dei dispositivi termoelettrici sono realizzati nelle infrastrutture d’avanguardia per la crescita epitassiale di semiconduttori III-V presenti presso il Laboratorio NEST – Scuola Normale Superiore e Istituto Nanoscienze-CNR (Pisa).
Al centro di NT-ROBOT ci sono il know-how e le strumentazioni del laboratorio Nanofab guidato dal PI del progetto, Prof. Francesco Rossella, un nuovo laboratorio interdisciplinare in cui fisici, chimici e scienziati dei materiali sfruttano appieno le risorse delle nanotecnologie per promuovere l’innovazione e lo sviluppo sostenibile. Lo sviluppo di NT-ROBOT è condotto da un team caratterizzato da competenze sperimentali complementari, che include la Prof.ssa Elena Colombini e il Prof. Paolo Veronesi (DIEF) e il Prof.Gianluca Malavasi (CHIMGEO), mentre il Prof. Guido Goldoni (FIM) fornisce il quadro di modellazione e simulazione dei dispositivi sviluppati. I dottorandi L. Nappi e F. Rapuzzi e D. Carrozza insieme al tecnico Unimore Dott.ssa C. Menozzi e al tecnologo CNR-NANO Dott. G.C. Gazzadi completano il team.
I progressi di NT-ROBOTS riguarderanno l’ingegnerizzazione di dispositivi basati su nanofili di semiconduttore per applicazioni termoelettriche anche assistite da ionic-gating (Rossella), lo sviluppo di protocolli di lavorazione dei materiali assistiti da microonde (Colombini, Veronesi), l’ingegnerizzazione chimica e la caratterizzazione di sistemi soft-matter con ioni mobili (Malavasi) e la modellazione teorico-computazionale di nanomateriali elettronici (Goldoni).
“Con questo progetto Unimore si pone un duplice obiettivo: in primo luogo NT-ROBOT porrà il suo gruppo di ricerca interdisciplinare come nodo esperto nell’ingegnerizzazione avanzata di piattaforme nanotecnologiche per applicazioni energetiche, comprendendo tutte le competenze sperimentali e teoriche necessarie per giocare un ruolo chiave in Europa nello sviluppo di nuove tecnologie per la conversione dell’energia; in secondo luogo NT-ROBOT contribuirà a consolidare l’iniziativa Nanofab, laboratorio multidisciplinare di Unimore e hub per l’integrazione di semiconduttori, materiali bidimensionali e (poli)elettroliti in dispositivi elettronici multifunzionali” – commenta il responsabile del progetto Prof. Francesco Rossella.