Piattaforma Tecnologie per energia, salute e ambiente

Docenti

1. Tiziana Benincori, Federica Bertolotti, Stefano Brenna, Simona Galli, Barbara Giussani, Carlo Lucarelli, Norberto Masciocchi, Massimo Mella, Sandro Recchia, Nicola Schiaroli, Davide Spanu, Gloria Tabacchi, Jenny G. Vitillo (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Lorella Izzo (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita) 
2. Tiziana Benincori, Simona Galli, Barbara Giussani, Norberto Masciocchi (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Enrico Caruso  (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita) 
3. Federica Bertolotti, Ettore Fois, Simona Galli, Barbara Giussani, Norberto Masciocchi, Gloria Tabacchi, Jenny G. Vitillo (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Laura Rampazzi (Dipartimento di Scienze umane e dell'innovazione per il territorio

Obiettivi specifici

1. Materiali per l’Energia e l’Ambiente: La transizione energetica ed ambientale richiede, a livello globale, sforzi sempre più intensi per mantenere livelli di eccellenza in un sistema industriale competitivo e per garantire significativi avanzamenti nella produzione di beni e servizi adeguati alle esigenze dei cittadini. Alla base di questo progressivo sviluppo si colloca lo studio di materiali ingegnerizzati con elevate prestazioni funzionali [materiali per il fotovoltaico (semiconduttori), per l’assorbimento selettivo di gas e di contaminanti ambientali (di origine naturale e non), per catalisi “green” e per applicazioni optoelettroniche a basso consumo energetico (e.g., LED)], che sarà affrontato nei diversi aspetti di progettazione, sintesi, caratterizzazione e modellazione computazionale.
2. Materiali per la Salute: Questo tema include la progettazione, realizzazione e caratterizzazione di specie chimiche e compositi di natura altamente differenziata, per i) prevenzione e cura di malattie (Active Pharmaceutical Ingredients e loro formulazioni), ii) messa a punto di dispositivi medici e iii) uso di materiali sicuri in ambienti lavorativi e domestici, anche a garanzia dalla sicurezza alimentare, ove materiali ed additivi utilizzati nella formulazione di cibi e bevande non devono rilasciare sostanze dannose per la salute. Preparazione ed ottimizzazione di questi materiali, soprattutto a livello industriale, saranno garantite da un continuo feedback tra le fasi di produzione, caratterizzazione e valutazione delle prestazioni, in un virtuoso scambio di competenze tra Accademia e Realtà Produttiva.
3. Materiali Nanostrutturati Lo sviluppo di tecniche innovative di sintesi, caratterizzazione e modellazione di materiali alla nanoscala (con dimensioni lineari tra i 5 e i 50 nm) ha permesso, negli ultimi decenni, la formulazione di nuove specie chimiche per applicazioni altamente differenziate in diversi ambiti. Le loro proprietà, differenti da quelle delle fasi massive di cui possono (solo) idealmente considerarsi porzioni escisse, includono, tra le altre, elevate resistenza meccanica, conducibilità elettrica, risposta ottica e reattività (bio)chimica. Già immessi sul mercato come materiali per displays e sensoristica (quantum dots) o in nanomedicina (tecniche di diagnosi per immagini, prevenzione e terapia oncologica), essi trovano impiego anche in ambito farmaceutico e ambientale. Saranno sviluppate metodologie di analisi strumentale e computazionale volte alla profonda comprensione del loro comportamento funzionale.

Keywords

1. Functional Materials, Catalysis, Polymers
2. Drugs, Solid-State Polymorphism, Toxicity, Medical Devices
3. Nanomaterials, Porous Polymers, Nanomedicine.

Principali finanziamenti (dal 2022)

1. PRIN 2022
2. PRIN 2022

Docenti

1. Alessia Allevi, Giuliano Benenti, Maria Bondani, Enrico Brambilla, Claudio Cacciapuoti, Lucia Caspani, Matteo Clerici, Ottavia Jedrkiewicz, Franco Prati (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia)
2. Alessia Allevi, Giuliano Benenti, Maria Bondani, Massimo Caccia, Matteo Clerici, Marco Lamperti, Romualdo Santoro (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Barbara Pozzo (Dipartimento di Diritto economia e culture)
3. Matteo Clerici, Ottavia Jedrkiewicz, Paolo Di Trapani (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia)
4. Alessia Allevi, Maria Bondani, Enrico Brambilla, Lucia Caspani, Matteo Clerici, Fabio Ferri, Ettore Fois, Ottavia Jedrkiewicz, Marco Lamperti, Luca Nardo, Gloria Tabacchi (DiSAT), (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Barbara Pozzo (Dipartimento di Diritto economia e culture)
5. Massimo Caccia, Romualdo Santoro (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Barbara Pozzo (Dipartimento di Diritto economia e culture), Alberto Trombetta (Dipartimento di Scienze teoriche e applicate) 
6. Matteo Clerici, Paolo Di Trapani (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia)

Obiettivi specifici

1. Fondamenti di Fotonica e Meccanica Quantistica. Si studiano i principi fondamentali dell’interazione luce-materia in regimi quantistici e non lineari, con particolare attenzione alla generazione e caratterizzazione di stati non classici della luce (entangled, squeezed) e alla dinamica di sistemi quantistici aperti. Si investigano sistemi ottici non lineari in cavità per l’analisi di solitoni dissipativi, frequency combs, fenomeni di bistabilità e stabilità modulare. Si analizzano inoltre fenomeni di breakdown dielettrico in regime ultrabreve. L’attività integra modellizzazione teorica e simulazioni numeriche avanzate con esperimenti con impulsi laser ultrabrevi e sistemi di photon counting per indagare i meccanismi fondamentali alla base della fotonica e della meccanica quantistica.
2. Quantum Information: Si studiano processi di generazione, manipolazione e misura di stati quantistici della luce per applicazioni all’informazione quantistica. Vengono sviluppati protocolli per la produzione di stati entangled e squeezed, e tecniche di photon counting ad alta efficienza. Si progettano generatori quantistici di numeri casuali basati su effetti di tunneling, con applicazioni in crittografia e sicurezza. Parallelamente, si esplorano modelli teorici di batterie quantistiche fotoniche per lo stoccaggio e trasferimento controllato di energia. Le attività combinano modellizzazione teorica e attività sperimentali in fotonica ultraveloce per far avanzare le tecnologie quantistiche in comunicazione e computazione. Si studiano inoltre le implicazioni normative, con l’obiettivo di contribuire allo sviluppo di un quadro regolatorio proporzionato e flessibile, capace di favorire un’adozione responsabile delle tecnologie dell’informazione quantistica, garantendo sicurezza dei dati, tutela dei diritti e sostenibilità sociale.
3. Microlavorazione: Sviluppo di strategie avanzate di microlavorazione laser su materiali trasparenti innovativi quali zaffiro, Gorilla Glass, vetri temperati, diamante e carburo di silicio (SiC). Si utilizzano fasci strutturati, in particolare fasci Bessel, per indurre modifiche strutturali non ottenibili con irraggiamenti convenzionali, grazie al controllo spaziale dell’energia depositata e all’accesso a regimi non lineari selettivi. Si studiano e ottimizzano i parametri di processo per realizzare microstrutture funzionali destinate a microfluidica, sensoristica e microelettronica, abilitando dispositivi integrati ad alte prestazioni.
4. Sensing - Spettroscopia, Imaging e Scattering: Si studiano tecniche avanzate di spettroscopia, scattering e imaging ottico per investigare le proprietà strutturali, elettroniche e quantistiche di materiali e sistemi molecolari. Si sviluppano metodologie risolte in tempo con impulsi ultracorti (<300 fs) per analizzare dinamiche elettroniche e vibrazionali su scale temporali inferiori al picosecondo. Particolare attenzione è dedicata allo sviluppo di imaging avanzato, inclusa microscopia quantistica a due fotoni per aumentare sensibilità e risoluzione. L’attività comprende lo sviluppo di catene di rivelazione ad alta sensibilità, basate su photon counting e rilevatori EMCCD, PMT, CCD e q-CMOS, oltre a sistemi pump-probe per spettroscopia nel dominio THz. Si analizzano inoltre le implicazioni etiche e normative del sensing quantistico, promuovendo pratiche di innovazione responsabile e tutela dei diritti nelle applicazioni emergenti.
5. Progettazione di Componenti e Sensoristica. Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di dispositivi optoelettronici integrati con sensibilità al singolo fotone, basati su matrici di Single Photon Avalanche Diode (SPAD) integrati in microchip con funzionalità di processamento dei segnali. Si sviluppano inoltre generatori di numeri casuali ad alta entropia basati su rumore quantistico auto-amplificato in matrici di SPAD attraverso lo spin-off Random Power, abilitando applicazioni in crittografia classica e post-quantum, e comunicazioni quantistica. Questa attività mira a realizzare sensori ultra‑sensibili, sistemi di imaging biomedicale, monitoraggio ambientale e comunicazioni sicure in microsistemi integrati ad alte prestazioni. Si studiano inoltre gli aspetti giuridici legati all’uso di componenti e sensori quantistici, con attenzione a privacy, sicurezza e responsabilità nell’innovazione.
6. Illuminotecnica. Si studiano sistemi illuminotecnici innovativi basati su nanotecnologie, ottica avanzata e sorgenti LED ad alta efficienza per riprodurre artificialmente cielo e sole in ambienti interni. Lo spin‑off CoeLux Srl, nato dall’Università degli Studi dell’Insubria, sviluppa pannelli nanostrutturati che sfruttano lo scattering di Rayleigh e ottiche sofisticate per creare l’illusione di infinito spaziale. Si modellano componenti e illuminatori con controllo spettrale e direzionale, analizzando l’impatto sull’illuminazione circadiana, il benessere fisiologico e visivo. L’attività mira a migliorare il comfort in spazi privi di luce naturale (uffici, ospedali, retail) integrando ricerca fondamentale e applicazioni tecnologiche avanzate.

Keywords

1. Nonlinear Optical Cavities; Dissipative Solitons; Frequency Combs; Nonclassical Light States; Quantum Open Systems Dynamics; Nonlinear Optics
2. Quantum Information Processing; Entangled and Squeezed States; Photon-Number-Resolving Detection; Quantum Randomness
3. Laser Micromachining; Structured Light; Transparent Material Processing
4. Time-Resolved Spectroscopy; Quantum-Enhanced Imaging; Pump-Probe Spectroscopy; Photon-Counting Detection; Scattering; Biophotonics
5. Integrated Optoelectronic Sensors; Quantum Random Number Generation; Single-Photon Detection; 'Security in Modern Information Management Infrastructures' (SMIMI); 'Advanced and Quantum-safe Solutions for Digital Identity and Digital Tracing' (AQuSDIT); 
6. Human-Centric Lighting; Nanostructured Optical Systems; Circadian Light Modulation

Principali finanziamenti (dal 2022)

1. ERC CoG QuNIM G.A. 101125923; PRIN 2022K3KMX7, ELISE, CUP B53D2300515000;
2. Ultimate bounds for quantum heat engines, Julian Schwinger Foundation; Solid State Quantum Batteries: Characterization and Optimization (SoSQuBa), PRIN 2022; Quantum Optimization Variational Algorithms for Higher-DImensional Systems (QUOVADIS), bando a cascata spoke 10 progetto ICSC, spoke 10 “Quantum Computing”; Novel Quantum Communication protocols for power systems and smart grids, D. M. 737/2021.
3. Marie Curie ITN project LasIonDef (GA n.956387)
4. ERC CoG QuNIM G.A. 101125923; PRIN 2022K3KMX7, ELISE, CUP B53D2300515000;
5. In-silico quantum generation of random bit streams”, HOR2020. 'Security in Modern Information Management Infrastructures' (SMIMI); 'Advanced and Quantum-safe Solutions for Digital Identity and Digital Tracing' (AQuSDIT); bandi a cascata dello Spoke 10 del Partenariato Esteso SERICS (PE00000014)
6. Capitalizzazioni >€3m

Docenti

1. Pietro Anzini, Massimo Caccia, Matteo Clerici, Fabio Ferri, Marco Lamperti, Luca Nardo, Romualdo Santoro (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia)
2. Marco Donatelli, Giorgio Mantica, Massimo Mella, Matteo Semplice (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Giovanni Veronesi (Dipartimento di Medicina e chirurgia)
3. Massimo Caccia, Angelo Monti, Michela Prest, Romualdo Santoro (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia)
4. Pietro Anzini, Fabio Ferri, Silvia Gazzola, Marco Lamperti, Angelo Maspero, Massimo Mella, Andrea Penoni, Luca Nardo (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Enrico Caruso, Lorella Izzo (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita) 
5. Alessia Allevi, Massimo Caccia, Lucia Caspani, Matteo Clerici, Marco Lamperti, Luca Nardo, Romualdo Santoro (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Lorella Izzo (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita) 
6. Tiziana Alberio, Matteo Clerici, Marco Lamperti, Marta Lualdi, Luca Nardo (Dipartimento di Scienza e alta tecnologia), Elena Bossi, Cristina Roseti, Lia Forti,  Marzia Gariboldi, Viviana Orlandi, (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita), Andrea Moriondo (Dipartimento di Medicina e innovazione tecnologica) 
7. Rosalba Gornati, Roberto Papait, Christina Pagiatakis (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita)
8. Loredano Pollegioni, Silvia Sacchi, Gianluca Molla, Elena Rosini, Luciano Piubelli (Dipartimento di Biotecnologie e scienze della vita)

Obiettivi specifici

1. 1) Biofotonica
   1. Misure di spettroscopia e microscopia anche interferometriche, risolte in tempo, e con sensibilità fino alla singola molecola, per la caratterizzazione di soluzioni, superfici, materiali, campioni biologici e farmaci
   2. Tecniche di particle sizing e algoritmi di inversione per l’analisi granulometrica di micro- e nano- particelle di interesse biofisico e biochimico
   3. Sviluppo di sistemi pump-probe per la spettroscopia risolta in tempo nel dominio spettrale THz e per studi di fenomeni transienti su scale di tempo elettroniche e molecolari
   4. Single-photon detectors per misure di fluorescenza e luminescenza
2. Modeling
   1. Sviluppo e studio di modelli matematici di area biomedica (ad esempio epidemiologici, biofisici e biochimici 
   2. Sviluppo ed applicazione di algoritmi numerici per il calcolo con i suddetti modelli
   3. Algoritmi matematici per il miglioramento (es. deblurring), il trattamento e l’analisi di immagini biomedicali
   4. Sviluppo e studio di modelli di statistica, biostatistica e statistica medica per la descrizione di sistemi, popolazioni, fenomeni di interesse medico e biologico
   5. Metodi computazionali per la simulazione ab initio e coarse-grained della struttura e della reattività chimica di sistemi molecolari, supramolecolari e polimerici e delle loro interazioni con la radiazione elettromagnetica 
3. Approcci terapeutici, diagnostici, teranostici innovativi. Applicazioni della fisica volte al perfezionamento di terapie mediante radiazioni ionizzanti e a garantire il mantenimento della qualità dei trattamenti, sia con modelli previsionali che in vivo:
   1. dosimetria e metrologia ionometrica su fascio ed in-vivo (anche in real-time),
   2. calcolo previsionale della distribuzione di dose in fantocci e in paziente, anche con metodi intelligenti
   3. imaging multimodale (CT, CBCT, MRI, PET) mirato alla definizione dei bersagli e al mantenimento del targetting pre e inter/intra trattamento
   4. sviluppo di nuove tecniche personalizzate/ipofrazionate per trattamenti IGRT, SBRT, IMRT, VMAT
   5. metodiche di radiochirurgia intracranica, toracica, addominale
   6. metodiche di total-body irradiation in contesto di trapianto di cellule staminali ematopoietiche
   7. quality control per strumentazione di radiografia e radioterapia
4. Drug design. 
   1. Progettazione, sintesi, caratterizzazione, valutazione e modellizzazione computazionale di composti e polimeri ad attività farmaceutica; fitofarmaci; nutraceutici; cosmetici: materiali poli-elettrolitici con caratteristiche antimicrobiche, sistemi polimerici per la cattura di ioni metallici tossici per mezzo di gruppi chelanti o ionoforici, materiali contenenti gruppi fotosensibilizzanti, sistemi peptidici o peptidomimetici con proprietà biologiche, agenti di contrasto innovativi per imaging diagnostico e teranostico
   2. Progettazione, sintesi, caratterizzazione, valutazione e modellizzazione computazionale di sistemi molecolari, supramolecolari e polimerici per drug delivery: micelle, liposomi, polimersomeri, idrogel ed organo-gel, sistemi coniugati per il trasporto selettivo di molecole bioattive su cellule target
5. Super-resolution bioimaging. Elaborazione di tecniche, strumentazione, probe per l’imaging ottico biomedicale ad alta risoluzione:
   1. generazione e manipolazione di stati quantistici per l’implementazione di schemi di misura adatti ad aumentare la sensibilità di imaging
   2. protocolli di bioimaging basati su stati della luce classici e quantistici (con fotoni correlati e stati squeezed)
   3. costruzione di setup customizzati per l’imaging di fluorescenza (confocale, TIRF, multiphoton) e l’applicazione di tecniche avanzate di spettroscopia di fluorescenza in cellula.
   4. sviluppo, implementazione, caratterizzazione e commissioning di single-photon detectors per misure di fluorescenza e luminescenza
   5. sintesi di dyes e polimeri luminescenti per il labelling di campioni biologici
6. Analisi strutturale e funzionale di biosistemi Elaborazione di metodi, setup, protocolli (spettroscopici, biofotonici, analitici, elettrofisiologici) per l’indagine strutturale, chimica, funzionale di sistemi biologici su scala molecolare, cellulare e tissutale
   1. Metodi d’avanguardia per l’analisi biochimica: docking molecolare, identificazione, quantificazione e localizzazione subcellulare di proteine, proteomica, analisi bioinformatica e systems biology
   2. Metodi spettroscopici innovativi per l’analisi strutturale con risoluzione sub-nanometrica di singole biomolecole e delle loro interazioni con substrati e farmaci
   3. Uso di luce visibile (sola o combinata con fotosensibilizzanti) nell'ambito antimicrobico e antitumorale
   4. Metodi per elettrofisiologia: patch-clamp, Ca2+-imaging, e MEA in preparati ex vivo e colture cellulari per studi di fisiologia sinaptica e modulazione farmacologica dell’attività elettrica di reti neuronali
   5. Analisi struttura funzione di trasportatori di membrana neuronali ed epiteliali, tramite espressione eterologa in sistemi ad alta espressione accoppiati a misure elettrofisiologiche (Two electrode Voltage Clamp). Studio di proteine sia wild type che ricombinanti. Applicazioni: caratterizzazione funzionale di mutanti, interazione con substrati, farmaci e modulazione da parte di proteine accessorie. 
   6. Metodi di misurazione di pressioni idrauliche intravascolari in vivo ed ex vivo mediante tecniche di micropuntura in vasi ematici e linfatici anche di piccolo calibro (fino a circa 10 µm di diametro)
7. Tossicità dei nanomateriali: il ruolo dell’epigenetica 
   Con la rapida diffusione delle nanotecnologie in settori quali la medicina, la cosmetica e l’industria, diventa fondamentale comprendere gli effetti potenzialmente dannosi dei nanomateriali sulla salute umana e sull’ambiente, oltre ad avere saggi capaci di valutare non solo la tossicità acuta, ma anche gli effetti a lungo termine, aspetto attualmente non misurabile con i tradizionali saggi cellulari di tossicità. In questo contesto, negli ultimi anni, l’epigenetica ha suscitato un crescente interesse, un complesso network di modificazioni del DNA e delle proteine a esso associate, in grado di regolare l’espressione genica in modo ereditabile e di rispondere a stimoli ambientali. Il nostro laboratorio sta attualmente investigando gli effetti tossici di diversi nanomateriali a livello epigenetico, utilizzando approcci genomici per lo studio integrato dell’epigenoma e del trascrittoma. L’obiettivo è duplice: da un lato, chiarire il ruolo dei meccanismi epigenetici nella nanotossicità; dall’altro, identificare marcatori biologici in grado di rilevare forme di tossicità latente, non misurabile con i saggi tradizionali. 
8. Biofarmaci
   Produzione di proteine ricombinanti in sistemi eterologhi (dai batteri alle cellule CHO) come biofarmaci. Vengono prodotte proteine per la produzione di vaccini (anche ingegnerizzati e glicovaccini), proteine terapeutiche anche chimeriche (ad esempio legate ad anticorpi o loro frammenti per un miglior delivery), ormoni, PROTAC, e proteine umane di interesse farmacologico per sviluppare nuovi farmaci. Studio del metabolismo della serina e dei D-amino acidi nel sistema nervoso centrale e sviluppo di terapie specifiche per il controllo di questi metaboliti in condizioni patologiche (dalla malattia di Alzheimer, alla schizofrenia, dall’autismo alle malattie rare).

Keywords

1. Single-molecule detection; Time-resolved fluorescence; Terahertz spectroscopy; Pump-probe techniques
2. Computational biomedicine; Biomedical image processing; Biostatistics and medical statistics; Mathematical modeling of biological systems
3. Medical physics and radiation therapy; Real-time dosimetry and dose prediction; Multimodal imaging for treatment planning; Personalized and hypofractionated radiotherapy; Quality assurance in radiotherapy
4. Drug delivery systems; Drug-conjugates; Drug Design; Peptidomimetics and bioactive compounds; Contrast agents for diagnostic and theranostic imaging; Computational modeling of pharmaceutical materials 
5. Quantum-enhanced bioimaging; Fluorescence microscopy and spectroscopy; Custom optical imaging systems; Luminescent probes and dyes for labeling 
6. Electrophysiology; Biofunctional Imaging; Molecular Spectroscopy; Single-molecule structural characterization, Heterologous expression
7. Nanotoxicity; human mesenchymal stem cell; DNA methylation; histone modifications; ChIP-seq; RNA-seq
8. Biopharmaceuticals; Antibodies; Enzyme Replacement Therapy; D-amino acids; CHO; Serine

Principali finanziamenti (dal 2022)

3. ORIGIN (H2020 - grant agreement no. 871324)
4. R&D AbITi - Piattaforma Tecnologica Italo Ticinese per la Ricerca e Sviluppo di Anticorpi (ID: 0200168)
5. ERC CoG QuNIM G.A. 101125923
6. PRIN 202287R9RX, H2020-MSCA-ITN-2019-2024 grant number 860954, PRIN 20228XHTBZ SLC15A4 (Solute Carrier 15 member A4): integrated in vitro-in vivo analysis and functional characterization
7. ANTIDOTES 2024
8. ImmunoHub – Ministero della Salute 2022-2027