Articoli

Software innovativi per lo studio di nuovi materiali

La scoperta, l’invenzione e la caratterizzazione di nuovi materiali si basano sulla collaborazione quotidiana tra ricercatori sperimentali e teorici. L'Università di Torino è all'avanguardia.

Pubblichiamo un articolo a cura di uno dei giovani finalisti del Premio Giovedì Scienza edizione 2013, Lorenzo Maschio

Si può immaginare un giorno in cui nuovi materiali potranno essere inventati semplicemente definendo gli elementi chimici da usare, le proprietà da ottimizzare ed i costi di produzione, ed introducendo questi dati dentro un computer, sostituendo i tradizionali esperimenti di laboratorio, costosi e potenzialmente inquinanti. Quel giorno è ancora lontano, ma già oggi la scoperta, l’invenzione e la caratterizzazione di nuovi materiali si basano sulla collaborazione quotidiana tra ricercatori sperimentali e teorici.

Nuovi materiali - simulazionePer avere un’idea delle possibilità di questo tipo di ricerca, basti pensare che il grafene — il materiale bidimensionale dello spessore di un solo atomo la cui scoperta sperimentale ha portato all’assegnazione del Nobel per la fisica 2010 — era già stato teorizzato e simulato con successo fin dagli anni ’90. Più in generale, la scoperta di nuovi materiali ha fin dall’antichità segnato in maniera profonda lo sviluppo tecnologico e culturale dell’uomo, dando il nome alle principali età della nostra civiltà (pietra, bronzo, ferro) fino all’età in cui viviamo, detta età del silicio (dal nome del materiale semiconduttore alla base della tecnologia di computer e smartphone).

Il gruppo di Chimica Teorica dell’Università di Torino, di cui faccio parte, è da più di 30 anni tra i leader mondiali nello sviluppo di software all’avanguardia per questo tipo di simulazioni. I programmi CRYSTAL e CRYSCOR, frutto del lavoro dei ricercatori del nostro gruppo e di numerose collaborazioni internazionali, sono tra i più diffusi e conosciuti a livello internazionale, e sono oggi utilizzati da centinaia di università ed industrie in tutto il mondo.

Si tratta di programmi di uso generale, che possono in linea di principio essere utilizzati per lo studio di qualsiasi tipo di materiale cristallino. Un esempio di particolare interesse oggi è quello dei cristalli molecolari, una classe di materiali che comprende farmaci, esplosivi, componenti per l’elettronica. Un farmaco come l’aspirina, che viene commercializzato sotto forma di compresse, può avere proprietà diverse in base a come queste sono state prodotte, e questo può essere predetto dai calcoli teorici. Per quanto riguarda gli esplosivi, è immediatamente chiaro l’interesse a svolgere simulazioni al computer al posto di pericolosi esperimenti in laboratorio.

Un ulteriore esempio è costituito dai materiali di interesse nel campo delle nanotecnologie, come ad esempio i nanotubi o nuovi materiali derivati dal già citato grafene.

Cryscor - logoIn quest’ambito si inserisce la mia ricerca: per poter portare avanti questo tipo di applicazioni è necessario lo sviluppo di equazioni ed algoritmi più raffinati e complessi, in grado di descrivere accuratamente i diversi tipi di forze di legame che interessano questo tipo di sistemi. La sfida è stata, ed è tutt’ora, quella di creare programmi che, nonostante la loro complessità, mantengano tempi di calcolo accettabili. Questo anche sfruttando al meglio i moderni supercomputer, cui si ha oggi accesso grazie ai grandi centri di calcolo come il CINECA di Bologna, che mettono a disposizione decine di migliaia di processori.

In collaborazione con il prof. Martin Schutz ed il dott. Denis Usvyat dell’ Università di Regensburg (Germania), ed insieme al prof. Cesare Pisani ed alla dott.ssa Silvia Casassa del gruppo di chimica teorica di Torino, ho nell’arco degli ultimi dieci anni sviluppato il programma CRYSCOR, che ad oggi rappresenta, tra le decine di software disponibili per questo tipo di simulazioni, quello che consente di raggiungere una maggiore accuratezza dei risultati e confrontabilità con i dati sperimentali.


Suggerimenti