LR-FIS03.1.1
Teoria e Simulazione al computer di Materiali Polimerici
In questa linea di ricerca vengono studiati modelli computazionali di polimeri e miscele polimeriche che hanno applicazioni nel campo dell’ ingegneria delle superfici, delle energie rinnovabili e della nano-medicina.
I nano-trasportatori molecolari sono ottenuti a partire dal “self-assembly” di blocchi di base sotto l’ effetto di interazioni soft-matter, quali forze di van der Waals, elettrostatiche, di idratazione e legami idrogeno. Il controllo sulle forme anfifiliche offre protezione contro la degradazione e fornisce un’ ampia gamma di opzioni per la funzionalizzazione e terapie mediche mirate. In questo ambito, consideriamo modelli di interazione di polimeri che possono essere sintetizzati sperimentalmente, al variare del loro grado di idrofobicità/idrofilia [1].
La topologia dei polimeri è considerata uno dei fattori che possono influenzare notevolmente le proprietà dinamiche e strutturali del Sistema. In questo contesto, utilizziamo modelli di interazione microscopica per miscele polimeriche con architettura molecolare diversa, allo scopo di comprendere gli effetti entropici ed entalpici che determinano l’ adsorbimento preferenziale all’ interfaccia del materiale [2].
Infine, il bisogno di materiali a basso costo per estrarre energia solare ha motivato la ricerca sui polimeri conduttori, che sono considerati dei convertitori interessanti per il loro basso costo e grande disponibilità in commercio. Il nostro interesse è rivolto alla costruzione di modelli computazionali per polimeri conduttori, sostituendo i gruppi elettrone-accettori e donori sulle catene laterali di polimeri esistenti, allo scopo di migliorare le proprietà elettroniche di questi materiali [3].
Pubblicazioni relative alla linea di ricerca
[1] Z. Workineh, G. Pellicane, M. Tsige. Tuning solvent quality induces morphological phase transitions in miktoarm star polymer films. Macromolecules, 53, 15, 6151 (2020).
[2] G. Pellicane, M. M. Tchoukouegno, G. T. Mola, M. Tsige. Surface enrichment driven by polymer topology. Physical Review E, Rapid Communications, 93, 050501 (2016).
[3] R S. Bhatta, G. Pellicane, and M. Tsige. Tuning range-separated DFT functionals for accurate orbital energy modeling of conjugated molecules. Computational and Theoretical Chemistry 1070, 14 (2015).
Collaborazioni internazionali nell’ ambito della linea di ricerca
- Prof. Mesfin Tsige, Department of Polymer Science, University of Akron (USA).
- Prof. Genene T. Mola, School of Chemistry and Physics, University of KwaZulu-Natal (South Africa).
Referente: Prof. G. Pellicane (gpellicane@unime.it)
Link a pagine esterne:
Progetti finanziati recentemente nell’ ambito della linea di ricerca
2017-2019 National Reserch Foundation (NRF, South Africa) Competitive grant for Rated Researchers “Computational and Experimental Study of Structure-Property Relationships in Organic Solar Cell Materials” (Principal Investigator. Budget: ZAR 515000).
2018-2020 National Reserch Foundation (NRF, South Africa) Competitive grant for Rated Researchers “Organic and Hybrid Perovskite based thin film solar cells: Experimental and theoretical investigation” (Co-investigator. Budget: ZAR 513000).
LR-FIS03.1.2
Teoria e simulazione al computer di materiali di “Soft Matter”
In questa generica linea di ricerca, ricadono gli studi fatti utilizzando teorie microscopiche (equazioni integrali) e simulazione al computer allo scopo di quantificare le interazioni microscopiche e descrivere le proprietà strutturali, termodinamiche e gli equilibri di fase di sistemi fluidi che appartengono al campo di studio della materia soffice (soft matter) e condensata. Questi ultimi includono un ampio spettro di sistemi liquidi con applicazioni nell’ ambito della bio-tecnologia, fisica delle superfici e medicina, fra cui soluzioni proteiche [1], sistemi colloidali [2] e sistemi macromolecolari in cui il processo di auto-assemblamento (self-assembly) è dovuto a interazioni microscopiche competitive e/o di van der Waals [3]
Pubblicazioni relative alal linea di ricerca
[1] G. Pellicane, G. Smith and L. Sarkisov. “Molecular dynamics characterization of protein crystal contacts in aqueous solutions” Physical Review Letters 101, 248102 (2008).
[2] G. Pellicane. “A colloidal model of lysozyme aqueous solutions: a computer simulation and theoretical study” Journal of Physical Chemistry B 116, 2114 (2012).
[3] Lloyd L. Lee and G. Pellicane. “Towards composite spheres as building blocks for structured molecules” Journal of Physics: Condensed Matter, 28 414008 (2016).
Referente: Prof. G. Pellicane (gpellicane@unime.it)
Collaborazioni internazionali nell’ambito della linea di ricerca
Prof. Lloyd L. Lee, Department of Chemical and Materials Engineering, California State Polytechnic University (USA).
Prof. Lev Sarkisov, Institute for Materials and Processes, School of Engineering, University of Edinburgh (UK)*
*attualmente in servizio presso la University of Manchester (UK)
Link a pagine esterne:
Progetti finanziati recentemente nell’ambito della linea di ricerca
2015-2017 National Reserch Foundation (NRF, South Africa) Blue Skies grant “Microscopic theoretical study of bulk and inhomogeneous Colloidal Structures” (Principal Investigator. Budget: ZAR 260000).
1. Nome del Responsabile e Partecipanti
Responsabile: Prof Giuseppe Pellicane
Partecipanti:
- Prof Archimede Rotondo (BIOMORF, UniMe)
- Prof Santi Prestipino (MIFT, UniMe)
- Dr Franz Saija (Istituto per i Processi Chimico-Fisici, CNR)
- Prof Mesfin Tsige (Department of Polymer Science, University of Akron, Stati Uniti)
- Prof Genene Tessema Mola, (School of Chemistry and Physics, University of KwaZulu-Natal, Sud Africa)
- Prof Fabio Cinti (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Firenze)
- Prof Mahmoud Soliman (Discipline of Pharmaceutical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Sud Africa)
- Prof Kristian Müller-Nedebock (Department of Physics, Stellenbosch University, Sud Africa)
- Prof Enrique Lomba (Spanish National Research Council, Madrid, Spain)
2. Denominazione della tematica e delle linee di ricerca
- Tematica: “Studi computazionali della struttura della materia soffice, biologica e condensata” / “Computational studies of condensed, soft and biological matter”
Linee:
- “Aggregazione auto-limitante in condensati biomolecolari” / “Self-limiting aggregation of biomolecular condensates”
- “Interazioni colloidali nella fisica della materia soffice” / “Colloidal interactions in soft-matter physics”
- “Dinamica connettiva del citoscheletro” / “Network dynamics of cytoskeleton”
- “Fasi termodinamiche di condensati bosonici” / “Bosonic cluster phases”
- “Interfacial properties of polymeric materials” / “Proprietà superficiali di materiali polimerici”
- “Docking e dinamica molecolare di composti farmaceutici” / “Molecular docking and molecular dynamics of pharmaceutical compounds”
- “Polimeri conduttivi per applicazioni nelle celle solari” / “Conductive polymers for solar-cell applications”
3. Breve descrizione delle linee di ricerca
- “Aggregazione auto-limitante in condensati biomolecolari” / “Self-limiting aggregation of biomolecular condensates”
Ci proponiamo di spiegare il meccanismo di crescita limitata dei condensati di organuli nelle cellule eucariote, il quale evita la loro coalescenza. A tale scopo, usiamo modelli di interazione a corto raggio repulsivi/a lungo raggio attrattivi fra le proteine o i complessi proteici/di acido nucleico, in simulazioni di dinamica molecolare e per compiere analisi di cluster. La comprensione di come le condizioni termodinamiche e strutturali determinano la distribuzione di dimensione degli aggregati consente di ricavare informazioni importanti circa la stabilità e la formazione di queste strutture, le quali giocano un ruolo fondamentale nel metabolismo ed espressione genica delle cellule.
We aim to explain the limited growth of condensates of membraneless organelles in eucariotic cells, thus preventing their coalescence and a true liquid-liquid phase separation. We use molecular dynamics simulations and cluster analysis to study effective short range repulsive/long range interaction models between the proteins or protein/nucleic acid complexes. The understanding of how structural and thermodynamic conditions determine size distributions of the aggregates provides us with important information about the stability and formation of these structures, which play a fundamental role in the metabolism and gene expression of cells.
- “Interazioni colloidali nella fisica della materia soffice” / “Colloidal interactions in soft-matter physics”
Il nostro interesse riguarda i sistemi della fisica della materia soffice, o condensata, con il fine di comprendere il modo in cui le interazioni microscopiche determinano le loro proprietà strutturali, termodinamiche e il loro diagramma di fase. Modelli di interazione semplificati vengono studiati usando tecniche di simulazione al computer (Monte Carlo, dinamica molecolare) e teorie di fisica statistica. Tali sistemi sono in fase liquida e sono rilevanti nelle biotecnologie, in fisica delle superfici e medicina, e consistono ad esempio in soluzioni proteiche, materiali colloidali, e sistemi macromolecolari che si auto-aggregano a causa di interazioni competitive o di van der Waals.
We focus on systems belonging to the fields of condensed matter, or soft matter, physics to understand the way microscopic interactions determine their structural, thermodynamic properties and the phase diagram. We use computer simulation techniques (Monte Carlo, molecular dynamics) and microscopic theories of statistical physics (integral-equation theories) to study interaction models of these systems, which include a large variety of liquid systems with relevance and technological applications in biotechnology, surface physics and medicine, like protein solutions, colloidal materials, and self-assembling macromolecular systems with competitive, or van der Waals interactions.
- “Dinamica connettiva del citoscheletro” / “Network dynamics of cytoskeleton”
Ci proponiamo di studiare la dinamica di reti citoscheletriche, ove le ramificazioni posso cambiare di lunghezza e le reticolazioni stesse possono dissolversi. Tali reti vengono modellate in termini di filamenti soggetti a dinamica alla Langevin e studiate sia con teorie di meccanica statistica, che simulazione al computer, per comprendere la maniera attraverso cui si ramificano e come le rigidità dei filamenti si legano alla elasticità della membrana cellulare. L’ applicazione di questi modelli alla biologia cellulare dovrebbe dare indicazioni su quali proprietà determinano la risposta meccanica cellulare e l’accoppiamento fra cellule diverse, o con la matrice extra-cellulare.
Our goal is to is to study the dynamics of cytoskeletal networks, where branches can grow and shrink, be pruned, and crosslinks may themselves dissociate. We model this system as fluctuating filaments subject to Langevin dynamics and use theory and computer simulation (molecular dynamics) to understand how network branching, filament and branching point rigidities couple to the cell membrane elasticity. The application of these models to cell biology should allow better understanding of the properties dominating an individual cell’s mechanical response, and to understand the coupling of cells to each other, or to the extra-cellular matrix.
- “Fasi termodinamiche di condensati bosonici” / “Bosonic cluster phases”
Il nostro obiettivo è di studiare l’effetto del confinamento e di interazioni fortemente attrattive fra particelle bosoniche sul diagramma di fase, ed in particolare la presenza di equilibri di fase fra stati quantistici, quali quelli superfluidi e supersolidi. A tale scopo, usiamo sia simulazioni classiche che quantistiche (Monte Carlo) per individuare le condizioni termodinamiche a cui si formano fasi stabili di aggregati bosonici. Questi studi sono di interesse fondamentale nella fisica dei sistemi quantistici fortemente correlati e forniscono la base per usare atomi ultrafreddi quali simulatori quantistici per verificare aspetti di fisica fondamentale.
Our goal is to study the effect of confinement and strongly attractive interactions on bosonic particles on the phase diagram, including the presence of “quantum” phases as superfluids and supersolids. We use both classical and quantum computer simulations (Monte Carlo) to unveil the thermodynamics conditions for the formation of stable phases of boson condensates. These studies are of fundamental interest in the physics of strongly correlated quantum systems and provide the basis for using ultracold atoms as quantum simulators to test fundamental physics.
- “Interfacial and morphological properties of polymeric materials” / “Proprietà superficiali e morfologiche di materiali polimerici”
In questa linea di ricerca cerchiamo di comprendere il diagramma di fase e le proprietà interfacciali e morfologiche dei materiali polimerici utilizzando simulazioni al computer di dinamica molecolare. L'interesse legato all'utilizzo di approcci computazionali è quello di favorire lo sviluppo di metodi di fabbricazione in grado di generare nanostrutture con difetti minimi e caratteristiche altamente controllabili, un aspetto che rappresenta una notevole sfida tecnologica. I materiali polimerici, come ad esempio quelli basati su copolimeri a blocchi, sono ampiamente utilizzati in vari campi come la scienza dei materiali, la nanotecnologia e la biomedicina.
We focus on advancing understanding of the phase diagram, interfacial and morphological properties of polymeric materials by using extensive molecular dynamics computer simulations. The interest of our research is related to leveraging computational approaches to assist the development of fabrication methods capable of generating nanostructures with minimal defects and highly controllable features, which is an aspect posing a formidable challenge in technology. Polymeric materials, as for instance those based on block copolymers, are widespread in various fields such as materials science, nanotechnology, and biomedicine.
- “Docking e dinamica molecolare di composti farmaceutici” / “Molecular docking and molecular dynamics of pharmaceutical compounds”
In questa linea di ricerca analizziamo diversi tipi di molecole come potenziali inibitori di mutazioni o attività biologica di patologie umane e studiamo i meccanismi microscopici attraverso i quali esse interagiscono in maniera efficace con le vie metaboliche rilevanti della patologia (esempio: triple-negative breast cancer). A tale scopo, usiamo docking molecolare e simulazioni di dinamica molecolare per studiare la stabilità degli “agganci” molecolari. L'applicazione di metodi computazionali alla chimica farmaceutica è utile per chiarire il potenziale terapeutico di nuovi approcci farmacologici.
Here we target molecules as potential inhibitors of mutations or biological activity of human diseases and study the microscopic mechanisms through which they interact effectively with the relevant chemical pathways of the pathology (example: triple-negative breast cancer). We use molecular docking analysis and molecular dynamics simulations to study the stability of the docked targets. The application of computational methods to medicinal chemistry is helpful to elucidate the therapeutic potential of new pharmacological approaches.
- “Polimeri conduttivi per applicazioni nelle celle solari” / “Conductive polymers for solar-cell applications”
In questo ambito, studiamo e progettiamo polimeri conduttivi potenzialmente utilizzabili in dispositivi fotovoltaici organici. A tale scopo usiamo simulazioni al computer di dinamica molecolare e la teoria del funzionale della densità per migliorarne le proprietà morfologiche ed elettroniche. Questa linea di ricerca è rilevante per il miglioramento dell'efficienza della conversione di potenza dei dispositivi che utilizzano fonti di energia rinnovabili, quali le celle solari a film sottile.
We study and design conducting polymers which have the potential to be used in organic photovoltaic devices. We use molecular dynamics computer simulation and density-functional theory to improve their morphological and electronic properties. This research line is relevant to the improvement of the Power Conversional Efficiency of devices relying upon renewable energy sources, as thin film solar cells.
4. Progetti di ricerca finanziati in corso (solo quelli di cui il responsabile della linea di ricerca è anche responsabile scientifico del progetto per conto di UniME)
Titolo: Computational Study of Structure-Property Relationships in polymer blends relevant to OPV devices (MATS0087)
Finanziatore: NICIS Center of High Performance Computing (CHPC) (www.chpc.ac.za)
Durata: maggio 2016 – novembre 2025
5. Contatti:
Email: gpellicane@unime.it
Sede: Dipartimento BIOMORF, Torre Biologica, piano terra.