Dipartimento di Fisica - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Fisica dell'Università della Calabria.

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Optical and mechanical responses of liquid crystals under confinement
(Università della Calabria, 2020-11-25) Zheng, Weichao; Cipparrone, Gabriella; Zappone, Bruno
The optics of liquid crystals (LCs) lay an important foundation for LC displays and the mechanics of LCs are the backbones of LC elastomers that are promising materials for artificial muscles. Despite broad prospects for applications, it is still a challenge to precisely measure both optics and mechanics at the nanoscale. Here both optical and mechanical responses are simultaneously probed by the Surface Forces Apparatus to understand how optical anisotropies of LCs interact with the birefringence of the mica, and how mechanical anisotropies of LCs interact with anchoring conditions and the confinement. Optically, the birefringence of nematics adds complexities to the two intrinsic birefringent mica surfaces for multiple-beam interference. The phase retardation by multiple birefringent layers is a result of composition by the phase retardation from each layer and their relative intersection angles, which is intuitively understood by the parallelogram rule that is similar to the geometrical composition of forces but with double intersection angle. The simulation based on 4x4 matrices is used to reconstruct the interaction of fringes and to compare the deviation of average wavelengths in the same chromatic order and isotropic wavelengths generated by the average refractive indices. Mechanically, LC behaviours result from the competition among surface anchoring, elasticity of LCs and confinements. During the retraction of surfaces, the neck of cholesteric layers is broken by the innermost circular dislocation defect that serves as a bulk crack with the opening mode of fracture, producing periodical twist transitions and structural forces. During the approach of surfaces, three regimes, constrained, stick-slip and sliding-slip, of cholesteric mechanical windings are observed with the time evolution of the surface anchoring. The onset of three regimes and the retardation of twist transitions results from the balance between the twist elastic torque and the frictional surface torque, namely the anchoring torque and the viscous torque, which is analogous to friction torque in rotational friction. The deviation of the anchoring angle on surfaces provides evidence of interfacial ruptures, with tearing or sliding mode, described by the paradigm of fracture mechanics for the onset from static frictions to kinetic frictions. This thesis sheds light on the understanding of boundary effects on permeative flows, frictions, fractures, yield stress materials, adhesions and biomechanics.
Monitoring of mercury and organic pollutants in differents environmental compartments through traditional and innovative approaches
(Università della Calabria, 2020-10-20) Tassone, Antonella; Cipparrone, Gabriella; Sprovieri, Francesca; Naccarato, Attilio
Negli ultimi decenni il problema dell'inquinamento ambientale ha acquisito notevole importanza su scala globale sia per il continuo aumento dei livelli di inquinanti che per l'introduzione di nuovi contaminanti. Gli effetti tossici sulla salute umana e sugli ecosistemi rappresentano la più grande minaccia di questi inquinanti. Pertanto, negli ultimi anni la comunità scientifica si è impegnata nel monitoraggio questi inquinanti in tutti i settori ambientali, come aria, acqua, suolo e sistemi viventi con lo scopo di garantire un controllo rigoroso della loro presenza nell'ambiente e successivamente regolamentarli. Infatti, le diverse proprietà fisico-chimiche delle varie sostanze fanno sì che siano distribuiti nei vari comparti secondo un preciso ciclo biogeochimico. È per questo motivo che studi di monitoraggio adatti a ciascun comparto ambientale sono necessari. Nella maggior parte dei casi, i metodi analitici impiegati si basano su tecniche obsolete, che non trovano impiego per via dell’uso di sostante nocive o di un grande dispendio di tempo e risorse. In questo contesto, esiste una domanda crescente di metodi analitici innovativi, rapidi, eco-compatibili, a basso costo, semplici da impiegare. Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi riguarda il monitoraggio del mercurio e di alcuni inquinanti organici emergenti, quali esteri organofosfati, benzotriazoli, benzotiazoli e benzosulfonammidi, mediante l’impiego di approcci analitici sia tradizionali che innovativi. Lo studio condotto durante il corso del dottorato ha riguardato l’indagine di diversi settori ambientali, come l’ambiente atmosferico di vari siti, interessati da fonti di inquinamento antropiche oltre che naturali. Inoltre, oggetto d’indagine sono stati anche l'ambiente acquatico del Mar Mediterraneo e il biota campionato in terreni agricoli di San Giovanni in Fiore (CS). Inoltre, lo studio del particolato atmosferico è stato condotto attraverso lo sviluppo di nuovi metodi analitici eco-compatibili per la determinazione di esteri organofosfati, benzotriazoli, benzotiazoli e benzosulfonammidi mediante estrazione mediata da microonde seguita da microestrazione in fase solida e quantificazione mediante gascromatografia-spettrometria di massa tandem. In the last decades, the issue of environmental pollution has acquired considerable importance at a global scale due to both the continuous increase in pollutant levels and the introduction of new contaminants. The toxic effects on human health and other ecosystems represent the greatest threat posed by these pollutants. Therefore, with the aim to ensure a strict control of their presence in the environment and subsequently regulate them, in recent years the scientific community has engaged in monitoring these pollutants in all environmental sectors, such as air, water, soil and living systems. Indeed, the different physico-chemical properties of the various substances ensure that they are distributed in the various compartments according to their own biogeochemical cycle. It is for this reason that monitoring studies suitable for each sector are necessary. In most cases, the analytical methods traditionally used are obsolete, relying on techniques that are no longer used. In this context, there is a growing demand for innovative analytical methods, which are fast, environmentally friendly, low cost, simple to use. Among the major ambient pollutants, the research work presented in this thesis is addressed to the monitoring of mercury and some emerging organic pollutants, i.e. organophosphate esters, benzotriazoles, benzothiazoles, and benzenesulfonamides, exploiting both traditional and innovative approaches. The investigation concerned the atmospheric environment of various sites affected by anthropic as well as natural emission sources, the aquatic environment of the Mediterranean Sea and the biota specimen collected in croplands from San Giovanni in Fiore (CS). Furthermore, the airborne particulate matter was monitored as an environmental matrix with the aim to detect organic pollutants through the use of new eco-friendly analytical methods.
X-RAY PHASE-CONTRAST TOMOGRAPHY APPLIED TO VIRTUAL UNFOLDING OF HERCULANEUM PAPYRI
(Università della Calabria, 2020-11-11) Stabile, Sara; Cipparrone, Gabriella; Cedola, Alessia; Bukreeva, Inna
In 1750 a large villa on a hill overlooking Herculaneum and the Bay of Naples was discovered. This villa probably once belonged to the wealthy Roman aristocrat Lucius Calpurnius Piso Caesoninus, a well-known Roman politician, who was a patron of Epicurean philosophers. The villa was lost from history in A.D. 79 in the catastrophic eruption of Mount Vesuvius when it was buried by tons of thick volcanic mud which gradually hardened to a concrete-like consistency. During villa excavations, workers discovered many important works of art and an impressive library of some 1800 papyri rolls - thus the name Villa of the Papyri. The library consists of a remarkable collection of Epicurean philosophical texts written in Greek, and a lesser number of Latin texts. Due to the intense heat of the volcanic flow and the pressure exerted by the weight of mud, lava, pumice, and rubble, these rolls are extremely fragile, lost more or less the original cylindrical shape, and the individual sheets stuck together tenaciously. Since their discovery, numerous efforts have been made to open the carbonized-Herculaneumpapyri and read the priceless information contained in them employing several manual and destructive techniques. My Ph.D. research work concerns the study of Herculaneum papyri using a non-destructive X-ray technique and a new set of numerical algorithms for ‘virtual-unrolling’. In particular, I used X-ray-micro-computed tomography (μX-CT) and X-ray Phase Contrast Tomography (XPCT) as powerful non-destructive testing techniques for the full-volume inspection of the papyri, able to give morphological and physical information on the inner structure of the investigated sample. I analyzed three Herculaneum papyri fragments: PHerc.1103 and PHerc.1105 belonged to the scroll exterior part, scorza, and PHerc.110 belonged to a papyrus partially unrolled in 1867. The main purpose of my research work was building a computational platform for the virtual 3D investigation of the Herculaneum papyri fragments. Due to the poor conditions of the fragments, virtual operations on the 3D tomographic images, such as segmentation and flattening of the papyrus sheets, result complicated and require an approach developed specifically for this particular task. In this thesis, I describe in detail this computational platform, which is the composite result of 3D data digitisation, segmentation, modelling, flattening and texture mapping of papyrus sheets. Following 3D data digitisation, the segmentation step is presented, thanks to which I can digitally identify the single papyrus sheet within the volume. After the sheet surface is modeled using triangular meshing, preferred to other kinds of mesh because it simplifies the math and allows for faster operations. Finally, I focus on the parameterization methods for unfolding sheet with minimum distortion. Once the good parametrization method has been identified, the next step is texturing, i.e., assignment of 3D color information to each point on a 2D mesh. The resulting texture reveals the features of the flattened sheet. Besides, investigations on different phase retrieval approaches have been performed. I implemented and tested three of the widespread methods to find the best one. Another challenging problem, due to the ring artifacts present in the reconstruction that disturbs the image impression, was resolved through algorithms adapted to this particular case. The artifacts removal process allowed the visualization of clean slices and helped to reveal traces compatible with writing. It has so been demonstrated the benefit of applying the XPCT technique to trace handwriting. Some of the results of this research are reported in the following paper has been accepted for publication: Stabile S., et al., Computational Platform for the virtual unfolding of Herculaneum Papyri, Sci. Reports.
Monte Carlo neutronic calculations for the design of VESPA shielding at the European Spallation Source
(Università della Calabria, 2020-12-14) Scionti, Jimmy; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe; Gorini, Giuseppe
The European Spallation Source (ESS) is the next world’s most powerful pulsed neutron source, under construction in Lund, in the south of Sweden. Many scientific and industrial fields will benefit from ESS, like pharmaceutical drugs, manufacturing, biotechnology, information technology, chemistry, and so on. The facility will produce neutrons by spallation reactions, induced by high energetic protons, accelerated up to the energy of 2 GeV and eventually conveyed to impinge on a rotating tungsten target. Neutrons will then pass through a complex moderator system and will be delivered to the experimental stations of a suite of instruments through dedicated beamlines. Each instrument has a unique experimental station, neutron guide and design that are optimized and conceived for a specific scientific research field. ESS will be capable of producing neutrons with energies up to that of the incident proton beam. Such high energetic neutrons constitute a matter of particular care for radiological protection purposes. In fact, neutrons represent a higher concern respect to charged particles due to the fact that they carry no electric charge. Therefore, they can’t interact with matter by mean of the coulomb force, which dominates the energy loss mechanism for charged particles. In particular slow neutrons, of energy up to a few eV, are likely to be absorbed by the atomic nuclei by radiative capture reactions, that lead to the emission of gamma particles. Similarly to neutrons, gammas carry no electric charge, but their interaction mechanisms in matter differ from those of neutrons, and depend on the atomic number Z of the nuclei [1]. Both neutron and gamma radiations are an issue for radiological protection in neutron facilities, due to their higher penetrability respect to charged particles. In particular, being able to attenuate and shield that radiation down to acceptable limits is a crucial aspect within the ESS project. The radiological shielding of each component of the facility, from the accelerator down to the beam-lines, is an essential matter of studies and investigations at ESS. Shielding studies can be thought as a type of optimization studies. In fact, the typical purpose is to minimize a radiological quantity, usually the dose, in some particular area of interest, by choosing appropriate materials. The choice is bound to the attenuating capability of the selected materials for the given radiation, to the cost and to the available space that set geometrical constraints. The studies described in this thesis are focused on the design of an appropriate shielding for the beam-line of VESPA, one of the instruments under construction at ESS. VESPA is a joint venture between Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR, Italy) and Science and Technology Facilities Council (STFC, United Kingdom). The acronym VESPA stands for Vibrational Excitation Spectrometer using Pyrolytic-graphite Analyser. As the name suggest, it is a high-resolution broadband chemical spectrometer, enhanced with diffraction capabilities, fully dedicated for in-situ research. It will be capable of providing simultaneous dynamic and structural data on chemical bondings, intra-molecular and inter-molecular interactions and on the vibrational dynamics. VESPA is a 60m long straight instrument, in line of sight with ESS moderator. Most of the instrument, about 45 m, will be built in an area that will be frequently accessed by workers, scientists, ESS personnel and so on. Therefore, the radiation coming from the instrument has to be strongly attenuate by an adequate shielding structure, so to not constitute a radiological hazard. The studies for the shielding of VESPA presented here, were performed by mean of the Monte Carlo transport code MCNP and auxiliary codes like CombLayer and ADVANTG. The investigation benefited from the Common Shielding Project at ESS, that aims to standardize the shielding structures for all the participating instruments, as well as to provide a common teamwork for discussing and validating the investigations. Part of this thesis aims to describe the Monte Carlo method, with a particular care for the variance reduction techniques, especially those that were used in the MCNP calculations. A large part of the thesis is related to the characterization of the sources used in the simulations. The shielding for VESPA is investigated through studying the neutron and photon dose rate maps. The proposed design, in compliance with the Common Shielding requirements and the dose requirements, is given toward the end of the thesis. The last chapter of the thesis is an addendum about the early simulations aimed to design an essential component of the instrument.
Sviluppo di materiali innovativi per adsorbimento H2 e realizzazione di una unità dimostrativa di bombola
(Università della Calabria, 2020-09-05) Pedicini, Rolando; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe
The research activity carried out during this three-year of PhD was directed towards the synthesis of new materials for the hydrogen storage. In particular, the PEEK was used as a basic polymeric matrix; this is an aromatic polymer, heat-resistant of which many properties are known. This base material does not show such chemical-physical characteristics that it can be used to bind and release H2 molecules, moreover, not being a porous material, cannot even think of a physical bond with H2. A functionalization reaction was necessary in which a certain percentage of chlorosulfonic groups on the aromatic ring of the polymer was introduced. This reaction resulted in both a slight increase in the surface area (from 9 to 19 m2/g) and also a morphological variation of the material was observed. To give the possibility to hydrogen to bind, presumably in a chemical way to the polymer, the chloride was exchanged with the permanganate ion, coming from a solution of KMnO4, that act like a precursor, which in an acidic environment is reduced to MnO2. The importance of the synthesis parameters such as time and temperature and the concentration of the precursor was verified. From the study of these parameters, different materials have been synthesized with a metal oxide load ranging from 7 to 80 wt%. The X-ray study showed that the Mn oxide synthesised is of the Birnessite type, having a characteristic lamellar structure, needle-like structure with characteristic peaks located at 2q = 12 °, 37 ° and 66 °. It was found that the increase in the percentage of oxide in the composite material is almost directly proportional to the absorption capacity. From absorption measurements by Sievert apparatus at 110 °C / 60bar, particularly interesting results were obtained, reaching 1 wt% of H2 absorption with materials having a load of 80 wt% of Mn oxide. It has been seen how the increase of the synthesis temperature at 80 °C and 95 °C does not involve any variation from the H2 adsorption but changes, probably, the structure of the oxide clusters which tend to be smaller in size. Moreover, from post volumetric measurement analysis, evident differences were found, in fact the initial MnO2 (IV) was reduced in Mn2O3 (III). For this reason, the synthesis temperature was decreased to 50 °C, reducing the analysis temperature from 110 °C to 50 °C by operating at 40 bars, in these conditions, over 3 wt% of H2 absorption was revealed, moreover, a reversible trend after three cycles of abs / des was obtained. These results seem to suggest a chemical interaction between hydrogen and the material. This material was then selected as an absorbent material to be introduced into a laboratory prototype tank (having a volume of 20L) that powered a 10W fuel cell. After increasing the material synthesis from 2 to 10 g, leaving all the chemical-physical and H2 absorption properties unaltered, the tank was designed considering some of the basic characteristics of the material. To characterize the tank two tests were designed: an electrochemical one in which the prototype was directly connected to the tank and the cell power and its life in real time was followed. Through this test, a power system had achieved a value of about 10W for an average time of 6min, less than the expected time of 20min, due to H2 losses in the tank / cell system. This problem was also recorded using the other method through mass flow and P sensors at the inlet and outlet of the tank. Considering that the system is a small demonstration developed on a laboratory scale and the components used were probably unsuitable for this purpose, by making the necessary changes and shrewdness, the H2 losses can be eliminated and, consequently, the life of the tank can reach the ideal value.
Radon measurement techniques in building materials and water using Italian and Ecuadorian samples
(Università della Calabria, 2020-11-25) Orbe Ordóñez, Jheny; Cipparrone, Gabriella; Capua, Marcella
Several studies have widely shown that there is a strict correlation between radon exposure and potential health hazard to the population. The indoor radon concentration depends on the radon exhalation from soil and building materials and radon in the domestic water supply. Accurate knowledge of the exhalation rate of building materials and radon concentration in drinking water plays an important role in reducing the risk for the population. Detailed research is being carried out into the measurements of the ex- halation rate of building materials and numerous publications are available. However, analysis of published results shows that a standard measurement protocol would be necessary and is not yet available. As regards the assessment of radon gas content in source water, interna- tional protocols are available, however, the high dependence of measurements on numerous parameters, both environmental and instrumental, it still re- quires studies to choose the most suitable instrumentation and procedure in particular circumstances and in measurement campaigns. This thesis presents the results of studies aimed at contributing to the realization of a protocol for measuring the radon exhalation rate in building materials. In addition, it presents the results of measurements of radon in wa-ter intended for human consumption under di erent experimental conditions. Standard instruments have been used for this purpose, such as scintillation chambers, gamma spectrometry, electrets and a radon chamber built in our laboratories. The emphasis will be on the work carried out with the radon chamber built for the research on the exhalation rate and adapted by us, for the rst time, for radon gas concentration measurements in water. The results obtained with the radon chamber are in excellent agreement with those obtained with the commercial instrumentation but the measure-of the measurements in water on di erent environmental parameters. Of no less importance is the fact that the studies were conducted in paral- lel in Italy, in the physics department of the University of Calabria (UNICAL) and in the analogous laboratory of the physics department at the Escuela Su- perior Polit ecnica de Chimborazo (ESPOCH) in Riobamba, Ecuador, where a radon chamber twin to the Italian one was built. Samples of Italian tu were taken to the ESPOCH laboratoryfor a com- parison of the measurements of the exhalation rate. In both laboratories exactly the same protocol was used, but each was equipped with an inde- pendent radon chamber and di erent instrumentation. Despite the di erent experimental and environmental circumstances, the results obtained are in excellent agreement with what was observed at UNICAL and con rm the quality of our protocol. With our protocols were studied di erent samples: Italian and Ecuado- rian building materials, commonly used in the construction of houses and buildings and water samples collected from wells and springs of the Calabria region in Italy and the Chimborazo province in Ecuador. The results of the radon exhalation rate of the analyzed materials show a wide variability due to the di erent physical and chemical properties of the samples. The results range from the minimum detectable to 0.86 Bq kg􀀀1 h􀀀1 obtained with a sample of crushed Italian tu measured with the closed chamber technique. The results, obtained using di erent detectors and tech- niques, show a satisfactory agreement. The results of the measurements of the radon concentration in the Ital- ian and Ecuadorian spring waters collected, compared to the reference value, indicated in the European Directive EURATOM 51/2013 dedicated to water intended for human consumption, show values well below 100 Bq l􀀀1 except for a Calabrian source, San Giovanni in Fiore, with a concentration of 133 Bq l􀀀1 measured with the closed chamber technique. Protection from this important gas necessarily involves actions to pre- vent and inform the population, as also indicated by the recent Italian law 101/2020 implementing the EURATOM Directive 59/2013. To this end, the activities carried out with projects aimed at high school can, at the same time, bring young people closer to scienti c research and a possible future in research, but also improve the knowledge of the dangers associated with radon for these students and the surroundings in which they live. For this reason, the last chapter of this work brie y summarizes the activities of the INFN RadioLab project in which I have been able to participate in this three-year period and which has involved about 150 Calabrian and Ecuado- rian students. ments with the chamber will allow a wide research activity on the dependence
Advanced Membrane-based Technology for Treatments of Industrial Streams
(Università della Calabria, 2021-04-12) Melone, Leonardo; Cipparrone, Gabriella; Giorno, Lidietta; Barbieri, Giuseppe
Electronic structure investigation of Dirac materials and layered semiconductors
(Università della Calabria, 2020-07-16) Grimaldi, Ilenia; Cipparrone, Gabriella; Pacilè, Daniela; Papagno, Marco
Current anomalies and signatures of zero-energy excitations in onedimensional superconducting systems
(Università della Calabria, 2020-07-16) Giuliano, Rosa; Cipparrone, Gabriella; Giuliano, Domenico
I sistemi monodimensionali superconduttivi sono terreno fertile sia per lo studio teorico di fenomeni esotici, sia per le innumerevoli applicazioni ingegneristiche a cui possono dare luogo. In questo lavoro di tesi, l’attenzione sarà posta verso questo genere di sistemi dal punto di vista teorico, approfondendo ed analizzando due tipi diversi di superconduttività (in onda s ed in onda p) in sistemi monodimensionali con simmetrie differenti. Nel primo argomento trattato, si propone un modello di superconduttore in onda p, con simmetria ad anello ed attraversato da un flusso magnetico. In condizioni particolari, osservando lo spettro energetico del sistema, si nota la comparsa di modi ad energia zero, i cosiddetti Modi di Majorana, ad oggi grande argomento di studio nella fisica della materia condensata per le loro possibili implementazioni in qbit e porte logiche e perché non abbiamo ancora evidenze sperimentali della loro presenza (nonostante vi siano diversi esperimenti in atto) nella fisica delle alte energie. Il device così presentato diventa quindi uno strumento utilissimo per la rilevazione e lo studio di questi modi ad energia zero, utilizzando come quantità misurabile la corrente persistente indotta dal flusso magnetico. Infatti, essendo la corrente la derivata dell’energia dello stato fondamentale, le informazioni che si sono ottenute guardando allo spettro energetico, vengono automaticamente tradotte e ricalcate nella forma della corrente, la quale, quando si manifestano i Modi di Majorana nel sistema, presenta delle evidentissime discontinuità. Nel lavoro di tesi, oltre a fornire una possibile applicazione sperimentale, in cui basta usare un magnetometro per effettuare la misura in modo non invasivo, è stato proposto un modello analitico per ottenere una formula per la corrente persistente utilizzando la matrice di trasferimento del sistema. Ovviamente, la manifestazione dei modi ad energia zero in un sistema finito-dimensionale non è banale e si manifesta solo per speciali valori del flusso magnetico che attraversa l’anello. Il modello quindi proposto diviene decisamente comodo per le implementazioni sperimentali. Va notato, tuttavia, che nei casi reali i sistemi non sono mai perfettamente aderenti al modello teorico che si propone. Per questo motivo, il passo successivo è stato quello di studiare lo stesso modello in presenza di disordine. Quello che è emerso dall’analisi è che per una quantità di disordine moderata, è ancora possibile rilevare i Modi di Majorana nel sistema attraverso la corrente persistente. Effettuando un’analisi statistica del sistema, è stato inoltre possibile fornire un diagramma di fase in cui riportiamo i valori che può assumere l’ampiezza del disordine al variare del potenziale chimico del sistema per mantenere la presenza dei modi ad energia zero. Nella seconda parte della tesi, l’attenzione si volge invece ai superconduttori in onda s e, in particolare, a giunzioni di metalli superconduttori-normali-superconduttori (SNS). In sistemi con questa simmetria, è previsto che scorra una corrente, detta corrente Josephson, anche in assenza di differenza di potenziale ai capi del filo. Questo fenomeno, che ad oggi trova largo spazio tra le implementazioni ingegneristiche, è legato alla differenza di fase tra il metallo superconduttore e quello normale. Allo stesso modo, si può manifestare anche tra due superconduttori che hanno una differenza di fase diversa da zero. Tuttavia, in particolari condizioni (quale la presenza dello spin-orbita e dell’effetto Zeeman), si può avere un’anomalia nella corrente ed avere, anche con differenza di fase nulla, una certa quantità di corrente che fluisce nel sistema. Questo effetto prende il nome di corrente Josephson anomala. Per studiarla ed ampliare le conoscenze su questo fenomeno, è stato pensato un sistema SNS in cui nella zona normale (N) sono presenti interazione spin-orbita, effetto Zeeman ed un confinamento armonico. L’approccio utilizzato è stato quello del formalismo della matrice di scattering per ottenere le equazioni che sono state poi risolte numericamente variando i parametri del sistema. In questo modo, non solo possiamo studiare l’anomalia della corrente Josephson, che risulterà essere evidente dai risultati riportati dai grafici di densità presenti nel lavoro di tesi, ma anche ciò che accade nel caso in cui si considerino più canali di scattering. Ciò che è emerso, alla fine dell’analisi, è che quando si considera un numero di canali di scattering maggiore di 1, la corrente, oltre a presentare la sua anomalia, presenta anche una asimmetrizzazione nella sua forma. Ciò implica che il movimento delle particelle da sinistra a destra è diverso dal moto opposto che queste hanno nella giunzione. Se ne conclude che un sistema così strutturato consente la prototipazione di un diodo superconduttivo.
Naturalderivative polymeric films containing transition metal complexes in between biomedical and food packaging applications
(Università della Calabria, 2020-07-10) Giorno, Eugenia; Cipparrone, Gabriella; Crispini, Alessandra; Aiello, Iolinda
I biopolimeri sono principalmente studiati per la progettazione di nuovi materiali utili per l'imballaggio alimentare e/o applicazioni biomediche. Il confezionamento è una componente essenziale nell'industria alimentare, necessaria per preservare la qualità e la sicurezza degli alimenti. La classica funzione del packaging alimentare, che inizialmente si basava sulla protezione, la comunicazione, la convenienza e il contenimento dei prodotti, è notevolmente migliorata con lo sviluppo di un nuovo concetto di imballaggio alimentare che consiste in sistemi di packaging attivi ed ecosostenibili. Attualmente, i principali materiali utilizzati per le applicazioni di confezionamento alimentare sono polimeri plastici prodotti da combustibili fossili, grazie al loro basso costo ed alla loro versatilità d'uso, entrambi fattori che hanno contribuito al loro rapido sviluppo nell’industria dell’imballaggio alimentare. Tuttavia, questi materiali non sono rinnovabili e non sono biodegradabili; il loro riciclaggio non è sempre possibile o economicamente vantaggioso, con conseguenti problemi indotti sull’ambiente. Lo sviluppo di materiali da fonti rinnovabili, in particolare con proprietà biodegradabili, contribuirebbe positivamente a un uso più sostenibile ed ecologico della plastica. Per questo motivo, l'uso di biopolimeri nelle applicazioni di confezionamento alimentare rappresenta una tendenza in rapida crescita. I biopolimeri possono essere ottenuti direttamente dai processi di polisaccaridi naturali o sintetizzati dalle reazioni di polimerizzazione chimica classica a partire dai corrispondenti monomeri rinnovabili. In questa prospettiva, la ricerca si sta concentrando sulla progettazione di materiali innovativi a base di polimeri naturali con prestazioni competitive ed economicamente convenienti rispetto ai materiali convenzionali derivati dal petrolio. I biopolimeri sono utilizzati principalmente nell'industria alimentare come materiali per imballaggio primario e secondario, film flessibili e rivestimenti commestibili. Grazie alle loro eccellenti caratteristiche biocompatibili e non tossiche, i biopolimeri trovano anche ampie applicazioni in campo medico come sistemi di rilascio di farmaci, dispositivi impiantabili, prodotti per la guarigione delle ferite e scaffold per l'ingegneria dei tessuti. Uno dei biopolimeri più abbondanti in natura è la cellulosa, essa è la componente strutturale della parete cellulare primaria delle piante verdi. I derivati della cellulosa sono ben noti in quanto possono essere ottenuti attraverso diverse reazioni come ossidazione, esterificazione ed eterificazione della cellulosa. I derivati della cellulosa come la carbossimetilcellulosa (CMC), la metilcellulosa (MC) e l'etilcellulosa (EC), hanno trovato molte applicazioni nell'industria alimentare e biomedica. Lo scopo generale di questa tesi di dottorato è la progettazione di processi eco-compatibili ed economicamente sostenibili per la preparazione di film polimerici antimicrobici. Nell'ambito di questo progetto di ricerca, l'interesse è stato focalizzato verso l’EC per i suoi numerosi vantaggi rispetto agli altri. L’EC è, infatti, solubile in vari solventi e può essere facilmente processata come film resistenti con una buona stabilità termica e lavorabilità. L'obiettivo principale di questo lavoro di ricerca è la preparazione di nuovi film polimerici di EC e successiva caratterizzazione. Inoltre l'attività ricercata svolta consiste nel conferire proprietà antimicrobiche ai film polimerici di EC incorporando specifici complessi di metalli di transizione. Come additivi antimicrobici sono stati utilizzati, date le loro note proprietà antimicrobiche, vari complessi di Ag(I) neutri e ionici. In particolare, i complessi acilpirazolonato di Ag(I) neutri sono stati scelti per la loro azione antibatterica esibita contro numerose famiglie batteriche. Inoltre, questi complessi che presentano una varietà di gruppi funzionali e di conseguenza caratteristiche strutturali diverse hanno permesso di studiare le diverse modalità di interazione con la matrice polimerica. Tutti i film EC sono stati preparati con il metodo "solvent casting”, le soluzioni di “casting” sono state ottenute miscelando in diversi rapporti in peso degli additivi Ag(I) rispetto all’EC in soluzione o allo stato solido. In entrambi i casi, dopo l'evaporazione del solvente, i film trasparenti sono stati isolati semplicemente rimuovendoli dal supporto di deposito con acqua calda. Le caratterizzazioni chimico-fisiche dei nuovi film di EC-Ag(I) sono state eseguite attraverso la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), l'analisi termogravimetrica (TGA), la calorimetria a scansione differenziale (DSC), diffrazione dei raggi X su polveri (PXRD) e misura dell'angolo di contatto con l'acqua (WCA). Da un punto di vista applicativo, lo scopo di questa tesi di dottorato è stato quello di preparare nuovi materiali antimicrobici da utilizzare come imballaggi alimentari e nel campo biomedico. A tale scopo, era di fondamentale importanza testare l'attività antibatterica ed eseguire i test di rilascio d'argento dei film ottenuti. Tutti i film preparati EC-Ag(I) sono stati testati per la valutazione della loro attività antimicrobica contro l'Escherichia coli, come modello di ceppi Gram-negativi, in accordo con la normativa standard ISO 22196: 2011. Inoltre, per tutti i film sono eseguiti i test di rilascio della migrazione specifica di ioni Ag(I), secondo la legislazione dell'UE; molti film hanno mostrato valori di rilascio inferiori al limite della legislazione dell'UE. Grazie alle proprietà antimicrobiche dei film ottenuti e del loro limitato rilascio di Ag(I), i film ottenuti rappresentano nuovi materiali molto promettenti per i campi di applicazione sopra riportati. Il lavoro di ricerca svolto ha dimostrato come il diverso tipo d’interazione che s’instaura tra i complessi metallici Ag(I) e la matrice polimerica svolge un ruolo chiave nelle proprietà complessive mostrate dai film preparati. Tale conoscenza è fondamentale per lo sviluppo di materiali e dispositivi con prestazioni migliorate rispetto a quelli derivanti dall’utilizzo delle singole componenti utilizzate per la preparazione dei film polimerici. Questo lavoro di ricerca è stato svolto nei laboratori MAT-InLAB del Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria in collaborazione con l’azienda TiFQLab “Centro di Sperimentazione, Ricerca e Analisi Applicata alle Tecnologie Alimentari e dell'Acqua Potabile”.

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