PRIN 2022 PE - Phisics Science Chemical and Engeneering | Università degli Studi di Messina

PNRR - Missione 4, Componente 2, Investimento 1.1Bando Prin 2022 - Decreto Direttoriale n. 104 del 12-02-2022

L’Università di Messina ha ottenuto finanziamenti per n. 39 progetti nella seguente AREA ERC (European Research Council) PE - PHISICS SCIENCE CHEMICAL AND ENGENEERING

Tailoring the HYDrophilic-hydrophobic Reaction zone for the Electrochemical nitrogen reduction reaction to AMmonia (HYDREAM)

Responsabile AMPELLI Claudio (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022YXHXH5_003 – CUP: J53D23007700006

Contributo MUR: € 72.441,00 - Importo Totale: € 83.792,00

Sottosettore ERC – PE4

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il Progetto HYDREAM, con la partecipazione del Politecnico di Torino, l’Università di Padova e l’Università di Messina, intende sviluppare un’interfaccia trifasica gas-liquido-solido per migliorare le prestazioni di elettrodi in reazioni elettrocatalitiche che coinvolgono gas. La realizzazione dell’interfaccia permetterà di controllare accuratamente il grado di idrofilia della zona di reazione in modo da ottimizzare il trasporto dei gas verso la superficie dell’elettrodo mantenendo al contempo una buona bagnabilità. Le attività dell’Unità di Ricerca di Messina saranno dedicate in particolare allo sviluppo di materiali elettrocatalitici a basso costo (utilizzando materiali non critici e abbondanti sulla crosta terrestre) e al design di elettrodi e dispositivi elettrochimici compatti per massimizzare le efficienze e limitare le perdite di energia.

Finalità

Le finalità del progetto riguardano la dimostrazione del concetto di interfaccia trifasica gas-liquido-solido e la sua applicazione al processo di riduzione elettrocatalitica dell’azoto (con acqua) ad ammoniaca in condizioni blande (pressione e temperatura ambiente). L’ammoniaca è uno dei principali prodotti dell’industria chimica, alla base della produzione dei fertilizzanti. La sintesi dell’ammoniaca per via elettrocatalitica rappresenta un’interessante soluzione alternativa all’energivoro processo Haber-Bosh, oggi ancora utilizzato in maniera prevalente per la sua produzione industriale.

Risultati attesi

I risultati attesi prevedono la sintesi di nuovi materiali elettrodici, funzionalizzati opportunamente per garantire il giusto grado di idrofilia, la loro caratterizzazione utilizzando tecniche avanzate e il testing nel processo di sintesi dell’ammoniaca in condizioni blande. Accanto allo sviluppo degli elettrodi, si prevede di progettare e realizzare dispositivi elettrochimici innovativi, non convenzionali, per incrementare l’efficienza del processo.

Description of the project, aims and expected results

The HYDREAM Project, with the participation of the Polytechnic University of Turin, the University of Padua, and the University of Messina, aims to develop a gas-liquid-solid triphasic interface to enhance the performance of electrodes in electrocatalytic reactions involving gases. The creation of this interface will allow for precise control of the hydrophilicity of the reaction zone to optimize gas transport to the electrode surface while maintaining good wettability. The activities of the Messina Research Unit will focus specifically on the development of low-cost electrocatalytic materials (using non-critical and earth-abundant raw materials) and the design of novel electrodes and compact electrochemical devices to maximize efficiencies and minimize energy losses.

Objectives

The main aim of the project is to demonstrate the concept of a gas-liquid-solid triphasic interface and its application to the electrocatalytic reduction of nitrogen (with water) to ammonia under mild conditions (ambient pressure and room temperature). Ammonia is one of the primary products of the chemical industry, being the basis for production of fertilizers. The electrocatalytic synthesis of ammonia represents an attractive alternative to the energy-intensive Haber-Bosch process, which is still predominantly used for ammonia industrial production today.

Expected Results

The expected results include the synthesis of new electrode materials, properly functionalized to ensure the correct degree of hydrophilicity, their characterization using advanced techniques, and testing in the ammonia synthesis process under mild conditions. Alongside the development of the electrodes, the project plans to design and construct innovative, unconventional electrochemical devices to increase the efficiency of the process.

An integrated environmental sustainable approach for the valorization of wet AGROindustrial wastes to bioMEThane (AGROMET)

Responsabile ARENA Francesco

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022EX89KF_002 - CUP: J53D23002090006

Contributo MUR: € 50.470,00 - Importo Totale: € 57.688,00

Sottosettore ERC – PE8

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

La produzione agricola e l'industria agroalimentare generano grandi volumi di rifiuti liquidi e residui solidi che causano gravi problemi di inquinamento se non gestiti o trattati correttamente. Per questo, AGROMET ha come obiettivo la lavorazione e la valorizzazione dei rifiuti agroindustriali umidi (WAW) per la produzione di metano. In particolare, poiché la Sicilia è la seconda regione d'Italia in cui la gestione dei rifiuti è un problema critico, i rifiuti provenienti dalle industrie degli agrumi e/o delle olive sono selezionati come materia prima. AGROMET prevede l'integrazione della liquefazione idrotermale (HTL) e della gassificazione catalitica in acqua supercritica (SCWG) come strategia per convertire la biomassa umida in metano. Il processo HTL consente la trasformazione a monte della biomassa umida in frazioni acquose di biogreggio che alimentano il reattore SCWG contenente catalizzatori a base di metalli “non nobili”. Questo approccio consente di superare i problemi legati ai costosi pretrattamenti di essiccazione e alla presenza di composti inorganici che limitano la durata del catalizzatore. Sulla base della composizione chimica, verrà valutata l'estrazione di sostanze ad alto valore aggiunto dal WAW e dalle frazioni oleose e solide. Uno stadio cruciale consisterà nella purificazione delle acque di processo mediante ossidazione catalitica con aria in fase liquida (CWAO) per consentirne il recupero e il riciclo. La sostenibilità del processo verrà valutata mediante LCA mentre la produttività massima verrà valutata mediante simulazione multiscala DFT del processo. Si prevede che AGROMET possa avere un impatto sul modello di sviluppo agricolo, favorendo un approvvigionamento energetico diversificato in grado di influenzare economie locali e politiche ambientali.

Description of the project, aims and expected results

Agricultural production and agro-food industry generate large volume of liquid wastes and solid residues which cause severe pollution problems if not properly managed or treated. On this account, AGROMET focuses on the processing and valorisation of wet agroindustrial wastes (WAW) for methane-rich stream production. Particularly, since Sicily is the second largest region in Italy where waste management is a critical problem, waste coming from citrus and/or olive industries are selected as raw material.

AGROMET foresees the integration of hydrothermal liquefaction (HTL) and catalytic gasification under supercritical water (SCWG) as a strategy to convert wet biomass into methane. HTL process allows the pre-processing of the wet biomass into aqueous and biocrude fractions, both feeding the SCWG reactor containing non-noble catalysts. This approach will overcome restrictions linked to expensive drying pretreatments and the presence of inorganic compounds which limits the lifetime of catalyst. Based on chemical composition of WAW, the individuation of suitable technologies for the extraction of added value chemicals from raw WAW and from oily and solid fractions will be evaluated. A crucial step will consist in the purification of the water-process by catalytic wet air oxidation (CWAO) to remove noxious substances for water recovery and/or recycle.

The sustainability of the process will be evaluated by LCA while maximum CH4 productivity will be predicted by multi-scale simulation from DFT to process simulation. Therefore, AGROMET will positively impact on the agricultural development model, in which a diversified energy supply is able to influence local economies and environmental policies.

Nonlinear differential problems with applications to real phenomena

Responsabile BONANNO Gabriele (PI)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022ZXZTN2_001 - CUP: J53D23003900006

Contributo MUR: € 20.205,00 - Importo Totale: € 27.314,00

Sottosettore ERC – PE1

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

L'obiettivo principale del progetto è studiare problemi differenziali non lineari mediante il calcolo delle variazioni, i metodi topologici e l'analisi multivoca, per ottenere risultati generali sull'esistenza o la molteplicità di soluzioni. In alcuni casi, saranno stabilite l'esistenza e la localizzazione di soluzioni periodiche o le proprietà qualitative delle soluzioni. Uno dei principali approcci utilizzati è il calcolo delle variazioni, in particolare una combinazione del teorema di Ambrosetti-Rabinowitz con teoremi di minimo locale. Altri metodi sono di tipo topologico, come il teorema di Poincaré-Birkhoff, il grado di Leray-Schauder o l'indice di punto fisso di Leray, nonché il metodo delle sopra-sotto soluzioni. L'analisi multivoca è impiegata, ad esempio, per lo studio di equazioni differenziali implicite o con non linearità discontinue. Principalmente, l'intero progetto cerca di offrire nuove conoscenze per determinare aspetti innovativi sui problemi differenziali non ancora individuati in letteratura. Per esempio, lo studio dei metodi variazionali per funzionali localmente Lipschitziani, non necessariamente C^1, può portare a risultati nuovi anche per funzioni differenziabili. In generale, saranno studiate equazioni differenziali non lineari ordinarie ed ellittiche con opportune condizioni al contorno, ottenendo l'esistenza di una, due, tre, infinite soluzioni. Si studieranno operatori ellittici con esponente variabile, di tipo frazionario e i casi discreti o impulsivi, ma anche problemi su domini non limitati e con crescita critica. Infine, saranno affrontati alcuni fenomeni reali provenienti dall'economia, dai processi industriali, dalle strutture ingegneristiche, dalle distribuzioni chimiche. Tra i vari, menzioniamo i problemi di equilibrio in economia, le prestazioni dinamiche di una classe di convertitori di potenza.

Description of the project, aims and expected results

The main goal of the project is to study nonlinear differential problems through variational calculus, topological methods, and multivalued analysis, to obtain general results on the existence and multiplicity of solutions. In some cases, the existence and localization of periodic solutions or the qualitative properties of the solutions will be established. One of the main approaches used is variational calculus, particularly a combination of the Ambrosetti-Rabinowitz theorem with a local minimum theorem. Other methods are topological, such as the Poincaré-Birkhoff theorem, Leray-Schauder degree, or Leray’s fixed-point index, as well as the upper and lower solutions method. Setvalued analysis is employed, for example, to study implicit differential equations or equations with discontinuous nonlinearities. Overall, the entire project seeks to provide new insights to uncover innovative aspects of differential problems not yet addressed in the literature. For example, the study of variational methods for locally Lipschitz continuous functionals, not necessarily C^1, may lead to new results even for differentiable functions. In general, nonlinear ordinary and elliptic differential equations with appropriate boundary conditions will be studied, obtaining the existence of one, two, three, or infinitely many solutions. Elliptic operators with variable exponents, fractional types, and discrete or impulsive cases will be studied, as well as problems on unbounded domains and those with critical growth. Finally, real-world phenomena from economics, industrial processes, engineering structures, and chemical distributions will be addressed. Among others, equilibrium problems in economics and the dynamic performance of a class of power converters are mentioned.

Protein Loaded extracellular vesicles As Next generation Therapeutics (PLANT)

Responsabile BRANCA Caterina

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 2022TF4BKK_002 - CUP: J53D23003540006

Contributo MUR: € 53.720,00 - Importo Totale: € 73.303,00

Sottosettore ERC – PE11

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Le vescicole extracellulari (EV) sono nanoparticelle costituite da uno strato fosfolipidico e rilasciate da tutte le tipologie cellulari che agiscono come mediatori chiave di molti processi patologici e fisiologici. Le EV è considerata una nuova frontiera per la moderna veicolazione di farmaci con numerosi vantaggi rispetto ai vettori sintetici a causa della loro non cito- e geno-tossicità, biocompatibilità e capacità di attraversare alcune barriere biologiche. Un'esigenza specifica consiste nel caricare all’interno delle EV nanoparticelle e macromolecole di grandi dimensioni, inclusi anticorpi e altre proteine.

Obiettivi

Nel presente progetto, metteremo a punto una procedura per caricare le proteine nelle EV. In particolare, utilizzeremo gli allergeni proteici della Parietaria judaica, una delle cause più rilevanti di allergia ai pollini nell'area mediterranea. Utilizzeremo un nuovo tipo di EV, i nanoalgosomi, recentemente identificati dalle microalghe, una fonte naturale sostenibile ed ecologica adatta per una produzione su larga scala e per una innocua manipolazione e ingegnerizzazione.

Il nostro obiettivo è comprendere le caratteristiche di base dell'incapsulamento proteico negli EV al fine di operare correttamente il camuffamento degli allergeni, rispondendo così a un'esigenza non soddisfatta nel trattamento delle allergie, ovvero la possibilità di somministrare gli allergeni in modo controllato e senza effetti collaterali.

Risultati attesi

Il nostro team collaborerà per progettare un efficiente sistema di somministrazione basato su EV per gli allergeni Parietaria judaica, e quindi fornire la base per la generazione di una nuova terapia. In una prospettiva più ampia, miriamo a comprendere le caratteristiche di base dell'incapsulamento delle proteine nelle EV al fine di stabilire metodi appropriati e fornire una chiara prova di fattibilità per l'uso delle EV come veicolo di terapie e vaccini di prossima generazione.

Description of the project, aims and expected results

Extracellular Vesicles (EVs) are cell secreted lipid-bound nanoparticles acting as key mediators of many pathological and physiological processes. EVs are considered a new frontier for modern drug delivery with several advantages over synthetic carriers due to their non cito- and geno-toxicity, biocompatibility and capability to cross some biological barrier. A specific need consists to load into EVs nanoparticles and macromolecules with large size, including antibodies and other proteins.

Objectives

In the present project, we will set up a procedure to load proteins into EVs. In particular, we will use protein allergens from Parietaria judaica, one of the most relevant cause of pollen allergy in the Mediterranean area. We will use a novel type of EVs, nanoalgosomes, recently identified from microalgae, a sustainable and green natural source suitable for a scale-up production and for harmless manipulation and engineering.

We aim to understand the basic features of protein encapsulation into EVs in order to properly operate the camouflage of allergen thus addressing an unmet need in the treatment of allergies, that is the possibility to present allergens in a controlled manner and without side effects.

Attended results

Our team will cooperate to engineer an efficient EV-based delivery system for Parietaria judaica allergens, and hence provide the basis for generation of a new therapy. On a wider perspective, we aim to understand the basic features of protein encapsulation into EVs in order to establish appropriate methods and provide a clear proof-of-concept for the use of EVs as next-generation vehicle of therapeutics and vaccines.

Air Conditioning of Electric vehicles by Sorption Thermal Energy Storage Technology ACE-STES

Responsabile CALABRESE Luigi

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022PCCCH9_003 - CUP: J53D23002370006

Contributo MUR: € 62.106,00 - Importo Totale: € 75.556,00

Sottosettore ERC – PE11

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Sintetica descrizione della proposta

La presente attività di ricerca riguarda i sistemi STES aperti a tre diversi livelli: i) il materiale adsorbente/composto; ii) l'accumulo termico di base integrato con riscaldatore, scambiatori di calore e altri componenti strettamente correlati; iii) il sistema STES incluso un sistema HVAC convenzionale per veicoli. Il progetto è finalizzato a valutare i composti/materiali ottimali (preparati ad hoc o commerciali) considerando la capacità di assorbimento, la durata e la stabilità degli stessi, per progettare il sistema STES e la sua integrazione con i dispositivi HVAC convenzionali.

Il progetto è organizzato in quattro attività principali:

1 Sviluppo, preparazione e analisi sperimentale di composti di assorbimento innovativi.

2 Modellazione e progettazione dell'intero sistema STES e dei dispositivi HVAC convenzionali dei veicoli elettrici.

3 Prototipazione e test del sistema composto da STES integrato con riscaldatori, scambiatori di calore e altri componenti correlati.

4 Analisi di impatto, gestione del progetto e diffusione dei risultati.

Al termine del progetto, si prevede di raggiungere i seguenti risultati principali:

• Identificare i materiali assorbenti (preparati come parte del progetto o commerciali), garantendo elevata capacità di assorbimento, adeguata resistenza meccanica, durata e stabilità delle prestazioni nel tempo.

• Valutare la configurazione ottimale del sistema e la sua integrazione con i dispositivi HVAC convenzionali e determinare le procedure di carica e scarica.

• Prototipare e testare il sistema di accumulo, valutando possibili problemi pratici e le migliori soluzioni per superarli.

Description of the project, aims and expected results

Short description proposal

The research deals with open STES systems at three different levels: i) the adsorbent/compound material; ii) the basic thermal storage integrated with heater, heat exchangers and other strictly related components; iii) the STES system including conventional vehicle HVAC systems. The project is organized in order to evaluate the optimal compounds/materials (prepared ad hoc or commercial) considering sorption capacity, durability and stability, to design the STES system and its integration with conventional HVAC devices.

The project is organized in four main activities:

1 Development, preparation and experimental analysis of innovative sorption compounds.

2 Modeling and design of the entire STES system and conventional HVAC devices of EVs.

3 Prototyping and testing of the system composed of the STES integrated with heaters, heat exchangers and other related components.

4 Impact analysis, project management and dissemination of results.

At the end of the project, it is expected to reach the following main results:

Identify the sorbent materials (prepared as part of the project or commercial), guaranteeing high sorption capacity, adequate mechanical strength, durability and stability of performance over time.
Evaluate the optimal system configuration and its integration with convention HVAC devices, and determine the charge and discharge procedures.
Prototype and test the storage system, evaluating possible practical problems and best solutions to overcome them.

Adaptive photochemistry

Responsabile CAMPAGNA Sebastiano (PI)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 20225NSHZ5_001 - CUP: J53D23007370006

Contributo MUR: € 79.840,00 - Importo Totale: € 88.640,00

Sottosettore ERC – PE4

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Adattamento, comune in Natura, è raramente presente in sistemi artificiali. Recentemente il concetto di Chimica Adattiva è stato introdotto ed è atteso avere un grande potenziale per applicazioni tecnologiche nella scienza dei materiali funzionali.

Il Progetto ha per obiettivo estendere il concetto della Chimica Adattiva oltre lo stato dell’arte, introducendo un nuovo concetto: Fotochimica Adattiva. La Fotochimica Adattiva verrà introdotta attraverso due approcci: (i) fotochimica adattiva basata su cambiamenti strutturali in piccole molecole, progettate ad-hoc e (ii) adattamento funzionale indotto dall’irradiazione in sistemi ibridi basati su macromolecole biologiche fotoattive. L’adattamento funzionale indotto dalla luce, sebbene avendo le sue radici nella fotochimica supramolecolare e nei dispositivi e macchine molecolari, è a sua volta un nuovo concetto e rappresenta un cambio di paradigma nel campo emergente della chimica adattiva, con importanti connessioni bel campo della fotosintesi naturale ed artificiale.

I risultati attesi dimostreranno la possibilità di ottenere chimica adattiva basata su cambiamenti strutturali e adattamento funzionale, entrambi governati dalla fotochimica. Questo permetterà di sviluppare un nuovo campo di ricerca di notevole importanza per la progettazione di sistemi molecolari programmati il cui funzionamento possa essere attivato/disattivato da luce di specifica intensità e frequenza, un argomento altamente rilevante per applicazioni biologiche e nella scienza dei materiali funzionali.

Description of the project, aims and expected results

Adaptation, ubiquitous in Nature, is a property hardly encountered in manufactured systems. Very recently, the concept of Adaptive Chemistry has been introduced and has been claimed to have a great potential for technological applications in material science.

This project wishes to take the concept of adaptive chemistry beyond the state of the art, by introducing a new concept: Adaptive Photochemistry. We propose to implement the Adaptive Photochemistry by two approaches: (i) adaptive photochemistry based on structural changes in small, ad-hoc designed molecules and (ii) functional adaptation induced by light irradiation in bio-organic hybrid systems based on photoactive biological macromolecules (e.g.: coupling the reaction center of the purple non-sulphur bacterium Rhodobacter sphaeroides to a protonable organic dye and fluorescent proteins and taking advantage of an irradiated photoacid activity). Functional adaptation induced by light irradiation, although having some roots in supramolecular photochemistry and in photoactive molecular devices and machines, is an unprecedented concept. It represents a breakthrough in the emerging field of adaptive chemistry, with connections to some important aspects of natural and artificial photosynthesis.

The results will demonstrate the possibility of obtaining adaptive chemistry based on structural changes and functional adaptation, both governed by photochemistry. This can open the way to the development of a new research field which holds promises to be important for the design of programmed molecular-based systems whose functioning can be activated/deactivated by light intensity and specific wavelengths, a highly relevant topic for both biological and material science applications.

Contactless And ReliAble MovEment anaLysis with miLlimeter-waves rAdars (CARAMELLA)

Responsabile CARDILLO Emanuele (Under 40)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022TLSWHM_002 - CUP: J53D23000890006

Contributo MUR: € 100.000,00 - Importo Totale: € 142.985,00

Sottosettore ERC – PE7

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

La nostra società sta assistendo ad un continuo aumento della popolazione geriatrica e/o affetta da patologie neurologiche per cui invalidità e alterazioni del movimento rappresentano le comorbità più diffuse.

Al contempo, l’utilizzo di radar a microonde rappresenta una soluzione promettente nell’ambito dell’analisi del movimento, non richiedendo che il paziente indossi alcun sensore/marker, superando alcuni tra i maggiori limiti delle tecnologie di cattura del movimento.

Ciononostante, a causa di problematiche di carattere tecnico ed alla scarsa interazione tra specialisti dei due ambiti, identificare ed estrarre informazioni accurate rappresenta una sfida per la comunità scientifica.

Il progetto CARAMELLA ha l’obiettivo di migliorare lo stato dell’arte, definendo soluzioni innovative, non intrusive e senza contatto per la valutazione della locomozione di soggetti sani ed affetti da patologie.

CARAMELLA si avvale di un team multidisciplinare composto da esperti nel campo dell’analisi del movimento umano e delle tecnologie radar. Proprio questa partnership rappresenta uno dei punti chiave della proposta, in un contesto in cui tali competenze sono spesso disponibili separatamente ma difficilmente vengono associate verso un obiettivo comune.

Il progetto prevede la progettazione e lo sviluppo di un sistema radar a microonde, lo sviluppo di tecniche di signal processing idonee all’estrazione di informazioni quantitative riguardo la locomozione umana ed il test su soggetti sani ed affetti da patologie neurologiche.

In un mondo in cui l’incidenza di patologie neurologiche è in continuo aumento, ci si aspetta che i risultati di CARAMELLA abbiano un impatto rilevante sia in termini di comfort per il paziente che su ambiti trasversali.

Description of the project, aims and expected results

The worldwide rise in geriatric population and people with neurological diseases is leading to short- and long-term disabilities. Movement impairments are among the most common comorbidities of neurological diseases and obtaining accurate/reliable information about the patient’s movement significantly supports health professionals, enabling personalized treatments, improving patients’ quality of life, thus reducing health costs.

Radar is a promising technology in this respect, being safe, contact-less, privacy-preserving, compact, cost-effective and not requiring any device on the end-user, thus overcoming most of the limitations affecting current motion capture technologies.

This project aims to improve current radar technologies applied to human movement analysis and obtain a reliable unobtrusive and contact-less innovative solution for human locomotion assessment of healthy and pathological subjects.

This project will allow a great leap towards an advanced knowledge in the field of radar-based human movement analysis. In a world where the total cost of neurological diseases keeps increasing, the outcome of the present project is expected to impact current clinical routines boosting tailored effective treatments, thus reducing the overall health costs. Finally, the potential of the proposed radar system is massive in all those contexts where the quantification of movement is crucial, i.e., healthcare, sports, risk assessment at work, and astronaut monitoring.

Seismic failure and post-failure response of slopes

Responsabile CASCONE Ernesto

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022ZABJHX_002 - CUP: J53D23002550006

Contributo MUR: € 49.706,00- Importo Totale: € 65.883,00

Sottosettore ERC – PE8

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il programma di ricerca è finalizzato allo studio dei fenomeni che caratterizzano le frane indotte da terremoti e, in particolare, delle fasi di innesco della rottura e di accumulo di deformazioni post-rottura che comportano le maggiori conseguenze in termini di perdite economiche e vittime.

A tal fine verranno utilizzati due metodi di analisi: il metodo multi-blocco, modificato per tenere conto della riduzione della resistenza al taglio del terreno e delle variazioni della geometria del pendio che si verificano durante il sisma, e il Material Point Method, utilizzato per prevedere lo sviluppo di superfici di rottura e di grandi deformazioni nel pendio. Tali metodi verranno applicati a casi di studio documentati con l'obiettivo di validare ed estendere le relazioni empiriche disponibili utilizzate nelle applicazioni ingegneristiche per prevedere gli spostamenti dei pendii indotti dal sisma.

Oltre alle analisi numeriche, verranno effettuate prove in centrifuga geotecnica su modelli in piccola scala di pendii sottoposti ad eccitazioni sismiche di intensità crescente fino a provocarne la rottura. Lo scopo della modellazione fisica è quello di analizzare in dettaglio il comportamento sismico e post-sismico dei pendii al fine di comprendere meglio i processi deformativi che si verificano, raccogliere dati sperimentali utili per la validazione dei metodi di analisi e per valutare la loro capacità predittiva.

Infine, verrà sviluppato un approccio semplificato per eseguire un'analisi completa di stabilità dei pendii naturali e delle opere in terra in zona sismica. Questo approccio richiede pochi parametri convenzionali come dati di input e pertanto è adatto per applicazioni di routine.

Description of the project, aims and expected results

The research programme is aimed at studying the complex phenomena involved in earthquake-induced landslides, focusing mainly on the failure and post-failure stages that have the major consequences in terms of possible economic losses and casualties.

To this end, two methods of analysis will be employed: a modified sliding block method is proposed to account for soil shear strength reduction and changes in the slope geometry occurring during seismic loading, and the Material Point Method, allowing for the solution of engineering problems involving large deformations, is used to predict the development of failure surfaces within the slope and the run-out process of earthquake-induced landslides. The above methods will be applied to well-documented case histories with the aim of corroborating and extending available empirical relationships often used in engineering applications.

In addition to numerical analyses, centrifuge tests will be carried out on small-scale models of slopes subjected to seismic excitations of increasing intensity up to causing a slope failure. The scope of the physical modelling is to analyse in detail the observed seismic and post-seismic behaviour of the slopes for a better understanding of the occurring deformation processes and collect a set of experimental data to validate the analysis methods and assess their predictive capability.

Finally, an approach of practical interest will be developed to perform a complete stability analysis of natural slopes and earth structures in seismic areas. This approach is simple to use and requires few conventional parameters as input data, then, it is suitable for routine applications.

Strongly coupled systems for quantum nanophotonic applications: CHIral Excitons and chiral Plexcitons (CHI-EP)

Responsabile CASTRICIANO Maria

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022HPW79T_002 - CUP: J53D23007520006

Contributo MUR: € 94.040,00 - Importo Totale: € 122.520,00

Sottosettore ERC – PE4

Description of the project, aims and expected results

In the CHI-EP project we want to exploit strong coupling interactions between molecules and between molecules and plasmonic nanoparticles as a tool to control electronic, optical, and quantum coherent properties. Indeed, when a strong coupling is established between two systems, it promotes the formation of new eigenstates, characterized by unique electronic and optical properties. Controlling, tuning, and modulating the coupling between different photoactive units will potentially unlock a wide variety of exciting new perspectives in various fields. However, given the complexity of the systems typically involved, this is not an easy task. Toward this objective, in CHI-EP we want to exploit chiral coupling as a new dimension to control such interactions. In CHI-EP we will build and characterize chiral strong coupling interactions between (i) different molecules in supramolecular aggregates (excitonic systems) and (ii) between these molecular aggregates and plasmonic nanoparticles (plexcitonic systems). We will work first with colloidal materials, which allow tuning the coupling in a relatively easy chemical way, acting on the supramolecular conditions used for their preparation. The preparation conditions will be optimized to identify the best protocols to obtain systems with predictable photophysical properties. As a final high-risk-high-gain objective, we will also prepare solid-state multilayer materials to be used as substrates for the realization of real devices by taking advantage of microfluidic techniques.

Tele-Rehabilitation as a Service (TRaaS)

Responsabile CELESTI Antonio (PI) (Under 40)

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 202294473C_001 - CUP: J53D23007060006

Contributo MUR: € 72.375,00 - Importo Totale: € 85.181,00

Sottosettore ERC – PE6

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

La teleriabilitazione è recentemente emersa come uno strumento efficace per fornire assistenza, migliorare i risultati clinici, aumentare positivamente la Qualità della Vita (QoL) dei pazienti con disturbi neurologici e favorire il loro reinserimento nella società, riducendo i costi clinici. Il Cloud Computing, in combinazione con Edge Computing, Internet of Things (IoT), Big Data e Intelligenza Artificiale (AI), sono le principali tecnologie in ambito teleriabilitativo. I dispositivi di riabilitazione Edge possono agire come biomarcatori digitali intelligenti inviando i dati fisiologici e comportamentali dei pazienti al Cloud dell'ospedale. Inoltre, la teleriabilitazione consente valutazione, intervento, consulenza ed educazione.

Tuttavia, il mercato della riabilitazione è attualmente dominato da costosi dispositivi robotici autonomi con vendor lock-in destinati ai centri clinici. Il progetto "Tele-rehabilitation as a Service" (TRaaS) mira a superare tale divario creando un'architettura intelligente di riferimento open source Cloud/Edge e un modello di dati standard. TRaaS incarnerà il principio del continuum Cloud/Edge. Dal lato del paziente, l'architettura TRaaS includerà uno strato Edge, che opererà sia a casa del paziente sia in centri clinici self-service che offrono dispositivi di riabilitazione robotica connessi al Cloud dell'ospedale. Inoltre, saranno studiate tecniche di Machine Learning per eseguire l'analisi dei dati clinici dei pazienti sia a livello di Cloud sia a livello Edge, al fine di identificare e/o migliorare l'efficacia della riabilitazione motoria e cognitiva dei pazienti.

Il progetto si propone inoltre di valutare l'impatto tecnologico, scientifico, economico e sociale. Inoltre, si prefigge di stimolare le comunità scientifiche e industriali del settore sanitario verso lo sviluppo di nuovi servizi di teleriabilitazione intelligenti e innovativi.

Description of the project, aims and expected results

Tele-rehabilitation has recently emerged as an effective tool for providing assisted living, increasing clinical outcomes, positively enhancing patients' Quality of Life (QoL) and fostering the reintegration of neurological patients into society, also pushing down clinical costs. Cloud computing in combination with Edge Computing, Internet of Things (IoT), Big Data and Artificial Intelligence (AI) are the main enablers for tele-rehabilitation. Edge rehabilitation devices can act as smart digital biomarkers sending physiological and behavioural patients’ data to the Hospital Cloud. Furthermore, tele-rehabilitation allows assessment, intervention,consultation, and education. However, the market of rehabilitation is currently dominated by expensive vendor lock-in stand-alone robotic rehabilitation devices aimed at clinical centres. The Tele-rehabilitation as a Service (TRaaS) project aims at overcoming such a gap by creating a reference open source intelligent Cloud/Edge architecture and a standard data model. TRaaS will embody the Cloud/Edge continuum principle. On the patient side, the TraaS architecture will include an Edge layer, acting either at the patient's home or in self-service clinical centres offering robot-assistedrehabilitation devices connected with the hospital Cloud. Furthermore, Machine Learning techniques will be also studied to perform patients’ clinical data analytics at both Cloud and Edge layers for identifying and/or improving the effectiveness of the patients’ motor and cognitive rehabilitation.The project will aim also at assessing technological, scientific, economic and social impacts. Furthermore, it will aim at stimulating both the scientific and industrial healthcare communities toward the development of new innovative smart tele-rehabilitation services.

A "Molecular Lift" for the Control of the Metal Protrusion and Coordination Sphere in Single-Atom Catalysts for CO2 Electroreduction - MATISSE

Responsabile CENTI Gabriele

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022K5SX27_002 - CUP: J53D23007590006

Contributo MUR: € 63.419,00 - Importo Totale: € 78.719,00

Sottosettore ERC – PE4

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

MATISSE svilupperà una generazione 2.0 di catalizzatori a singolo atomo (SAC) attraverso la loro ingegnerizzazione di superficie con ligandi ausiliari per realizzare nuovi elettrocatalizzatori di conversione della CO2 (CO2RR).

L'approccio di MATISSE si basa su un protocollo chimico che utilizza materie prime economiche e abbondanti per la sintesi di nanomateriali di carbonio porosi drogati con N per creare siti C-N-M (M = Fe, Co, Ni). Questo è seguito da un'ingegneria di superficie post-sintetica dei materiali carboniosi risultanti. Una parte fondamentale di questo processo è l'approccio di funzionalizzazione esoedrica, che introduce molecule coordinanti di superficie con estremità chiuse con gruppi donatori ausiliari. Questi gruppi sono attentamente selezionati per essere adatti a entrare nella sfera di coordinazione di ioni metallo, un passaggio cruciale nel nostro progetto. MATISSE mira a promuovere una protrusione bio-ispirata di siti SAC fuori dal piano estendendo la sfera di coordinazione del metallo ai gruppi donatori apicali. L'aumento della sfera di coordinazione del metallo fornirà un metallo attivo più polarizzato ed esposto in superficie per la catalisi. Ciò innescherà la polarizzazione interfacciale di piccole molecole attivate sulla sua superficie, una caratteristica fondamentale per aumentare la reattività SAC nella catalisi. L'approccio MATISSE migliorerà la polarizzazione nelle molecole di CO2 attivate su siti SAC modificati, accelerando il trasferimento di elettroni catalizzatore-molecola durante l'elettroriduzione con una diminuzione apprezzabile dei sovrapotenziali CO2RR e aumento della selettività del processo rispetto alla reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). MATISSE è un consorzio unico che unisce esperti in sintesi, modellizzazione teorica ed elettrocatalisi per affrontare questa sfida.

Description of the project, aims and expected results

MATISSE will develop a 2.0 generation of single-atom catalysts (SACs) through their surface chemical engineering with ancillary ligands that allow the exploitation of the beneficial metal-ligand cooperativity in the challenging CO2RR electrocatalytic process.

MATISSE's approach is based on a chemical protocol that uses cheap and abundant raw materials for the synthesis of porous and N-enriched C-nanomaterials containing C-N-M sites (M = Fe, Co, Ni). This is followed by a post-synthetic surface engineering of the resulting carbonaceous materials. A key part of this process is the exohedral functionalisation approach, which introduces surface-dangling arms end-capped with ancillary donor groups. These groups are carefully selected to be suitable for entering the metal-ions coordination sphere, a crucial step in our project.

MATISSE aims to foster a "bio-inspired" out-of-plane protrusion of the SAC by extending the metal coordination sphere to apical donor groups. The increase in the metal coordination sphere will provide a more polarised and surface-exposed active metal for catalysis. This will trigger the interfacial polarisation of small molecules activated at its surface, a key feature for boosting SAC reactivity in catalysis. MATISSE approach will enhance the polarisation in CO2 molecules activated on modified SAC sites, accelerating the catalyst-to-molecule electron transfer during electroreduction with an appreciable decrease of CO2RR overpotentials and increasing the process selectivity over the undesired hydrogen evolution reaction (HER). MATISSE is a unique Consortium combining experts in synthesis, theoretical modelling and electrocatalysis to address this challenge.

“Modelling complex biOlogical systeMs for biofuEl productioN and sTorAge: mathematics meets green industry (MOMENTA)”

Responsabile CONSOLO Giancarlo (Under 40)

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 202248TY47_003 - CUP: J53D23003580006

Contributo MUR: € 60.000,00 - Importo Totale: € 73.572,00

Sottosettore ERC – PE1

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Breve descrizione della tematica

Mentre il cambiamento climatico incombe sul nostro futuro, i ricercatori si rivolgono alla biotecnologia per trovare soluzioni ad uno dei problemi della nostra era: l’uso di materiali e processi chimici inquinanti. Le biotecnologie ambiscono a sostituire tali materie prime ed a proporsi come valide alternative sostenibili alle tecnologie basate sui combustibili fossili. Le applicazioni industriali in cui le biotecnologie potrebbero fare la differenza in tema sostenibilità sono praticamente illimitate; tuttavia, ad oggi, esse risultano ancora limitate. Da un punto di vista teorico, una delle motivazioni è rappresentata dall'assenza di adeguati modelli matematici in grado di fornire informazioni significative sui meccanismi alla base dei fenomeni osservati. Il presente progetto si inserisce in questo contesto.

Finalità

Il progetto intende sviluppare un robusto framework matematico di ausilio alla progettazione ed alla gestione di impianti industriali efficienti basati su biotecnologie. In particolare, il progetto si concentra su due problemi chiave: (i) la progettazione, l’ottimizzazione ed il controllo di reattori biologici per la produzione di biocarburanti; (ii) l’analisi delle dinamiche di corrosione che avvengono nel fondo dei serbatoi di stoccaggio di biofuel.

Risultati attesi

1) Derivazione delle equazioni che governano i processi biologici in sistemi di reattori basati su biofilm;

2) Sviluppo di modelli matematici rigorosi atti a caratterizzare le dinamiche legate alla corrosione da biofuel; studio delle proprietà qualitative delle soluzioni;

3) Messa a punto di attività sperimentali atte a produrre dati reali per la calibrazione e la validazione dei modelli;

4) Applicazione dei modelli sviluppati a casi industriali reali.

Description of the project, aims and expected results

Brief description

As climate change looms over our future, researchers are turning to biotechnology for solutions to one of the most relevant problems of our era: the use of polluting materials and chemical processes. Biotechnologies aim at replacing such raw materials and at becoming sustainable alternatives to fossil fuels-based technologies. Industrial applications in which biotechnologies may make the difference towards sustainability are virtually unlimited; however, so far, they are still limited. From a theoretical viewpoint, one of the motivations for that might be represented by the absence of suitable mathematical models able to provide significant insights into the mechanisms behind the observed phenomena. This is the scenario in which the present project is framed.

Aims

The project aims at developing a robust mathematical framework which might open new routes towards the design and the management of efficient industrial plants based on biotechnologies. In detail, the proposal focuses on a twofold aim: (i) the design, optimization and control of biological reactors for biofuel production; (ii) the analysis of corrosion dynamics occurring in the bottom of biofuel storage tanks.

Expected results

1) Deriving the equations governing the biological processes in biofilm-based reactor systems.

2) Developing a rigorous mathematical framework able to characterize the dynamics related to biofuel-induced corrosion; study of qualitative properties of solutions.

3) Setting proper experimental activities to produce real data for model calibration and validation.

4) Applying the developed models to real industrial cases.

NeuRaftAmyl - Unveiling the mutual interaction between lipid rafts and amyloid oligomers at the neuronal membrane

Responsabile CONTI NIBALI Valeria (Under 40)

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 20222YMAR5_002 - CUP: J53D23001320006

Contributo MUR: € 93.577,00 - Importo Totale: € 106.370,00

Sottosettore ERC – PE3

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il nostro organo più complesso, il cervello, è principalmente costituito da lipidi, che rivestono un'importanza fondamentale nella regolazione delle attività cellulari. Le zattere lipidiche sono domini ordinati della membrana la cui alterazione nella composizione, nella struttura o nella dinamica si correla con l'aggregazione anomala dei peptidi betamiloidi in oligomeri e fibrille, caratteristici segni distintivi di condizioni neurodegenerative come l'Alzheimer. Si ritiene che gli oligomeri siano le specie più tossiche, in grado di danneggiare la membrana neuronale e di innescare la cascata amiloide, e che il processo di aggregazione, potenzialmente influenzato dai lipidi liberi in soluzione, determini la struttura degli oligomeri e il grado di danno sulla membrana. Tuttavia, a causa della complessità dell'ambiente biologico e della risoluzione limitata delle tecniche sperimentali in vivo, l'indagine dei meccanismi molecolari che sottendono all'interazione tra le zattere lipidiche, i lipidi liberi e i peptidi amiloidi è ancora lontana da risultati conclusivi.

Grazie ad un approccio combinato computazionale/sperimentale, che include lo sviluppo di un modello computazionale coarse-grained ed esperimenti all'avanguardia su membrane neuronali modello, il progetto NeuRaftAmyl si propone di svelare i meccanismi fondamentali mediante i quali le zattere lipidiche e i lipidi liberi in soluzione guidano l'aggregazione dei peptidi amiloidi in oligomeri e, viceversa, come diversi oligomeri possano danneggiare sia membrane neuronali sane che malate. In particolare, il progetto chiarirà il ruolo svolto dalla concentrazione di specifici componenti delle zattere lipidiche nell'aggregazione dei peptidi e dai lipidi liberi nella formazione di complessi costituiti da lipidi e peptidi che facilitano l'inserimento dei peptidi nella membrana.

Description of the project, aims and expected results

Our most complex organ, the brain, is mainly made of lipids, which are fundamental in compartmentalizing and regulating cellular activities. Lipid rafts are ordered membrane domains whose alteration in composition, structure or dynamics correlate with anomalous aggregation of amyloid-beta peptides into oligomers and fibrils, distinctive hallmarks of neurodegenerative conditions like Alzheimer's. It is commonly accepted that small oligomers are the most toxic species, physically damaging the neuronal membrane and leading to the amyloid cascade. The aggregation pathway, possibly influenced by free lipids in solution, is believed to determine the structure of these oligomers and the degree of damage they exert on the membrane. However, due to the enormous complexity of the biological environment and the lack of resolution of in-vivo experimental techniques, the investigation of the molecular mechanisms underlying the interplay between neuronal lipid rafts, free lipids and amyloid peptides is still far from conclusive results.

Thanks to a combined computational/experimental approach, which includes the development of an ad-hoc coarse-grained computational model and state-of-the-art experiments on realistic model neuronal membranes, NeuRaftAmyl aims to unveil the fundamental mechanisms by which neuronal lipid rafts and free lipids in solution drive the aggregation of amyloid peptides into small oligomers and, conversely, by which different oligomers can damage both healthy and diseased neuronal membranes. In particular, the project will clarify the role played by the concentration of specific components of the rafts in the peptide aggregation and by free lipids in forming lipid-peptide complexes that facilitate peptide insertion into the membrane (lipid-chaperone hypothesis).

EMPATHY: Enhanced Marine Pollution Emergency Actions To preserve the ocean Health and the safetY of ship and navigation

Responsabile CORIGLIANO Pasqualino (Under 40)

Dipartimento ingegneria

Codice: 2022TXST8X_002 - CUP: J53D23002430001

Contributo MUR: € 94.800,00 - Importo Totale: € 94.800,00

Sottosettore ERC – PE8

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il progetto di ricerca si concentra sullo sviluppo di un Piano di Emergenza avanzato a bordo di navi per la prevenzione dell’inquinamento marino, con l'obiettivo di aumentare la sicurezza delle navi e della navigazione, ridurre l'impatto ambientale causato da possibili eventi di fuoriuscita di petrolio e coordinare le procedure di contenimento. Dopo l’individuazione della posizione e dell'estensione dell'area danneggiata, il progetto affronta due questioni principali. La prima riguarda la valutazione delle possibili fuoriuscite di petrolio dalla nave e la successiva modellazione della dispersione oceanografica, in base alle condizioni meteo-oceaniche nel luogo e nel momento dell'evento, per individuare precocemente le aree marine interessate dallo sversamento di petrolio e coordinare le adeguate procedure di contenimento. La seconda si concentra sulla modellazione agli elementi finiti (FE) della nave danneggiata e sulla valutazione della resistenza residua della carena e della probabilità di cedimento, al fine di pianificare un ritorno sicuro della nave al porto più vicino.

Description of the project, aims and expected results

The research project focuses on the development of an advanced Emergency Plan on board ships for the prevention of marine pollution, with the aim of increasing the safety of ship and navigation, reducing the environmental impact caused by possible oil spill events and coordinating containment procedures. The main goals of the research project are related to three key factors to be considered when a damage event occurs, namely: (i) the assessment of the size and location of the damaged area; (ii) the evaluation of the hull girder residual strength and failure probability and (iii) the estimate of the oil spillage dispersion following the damage event, based on the weather and ocean conditions at the location and time of the event, to early identify the marine areas affected by the oil spill and coordinate the appropriate containment procedures. In addition, the issue of the finite element (FE) modelling of the damaged ship and the assessment of the residual hull resistance and the probability of failure, in order to plan a safe return of the ship to the nearest port is carried out.

The almost real-time assessment of the damage suffered by a ship, together with the evaluation of the hull girder residual strength and oil dispersion, is still a challenging issue that needs to be investigated to improve current procedures and guidelines for both new and existing ships and, possibly, update current Rule requirements.

Green Optimizations by Additive-manufactured Lightweight Structures (GOALS)

Responsabile CUCINOTTA Filippo (PI)(Under 40)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 20228PFA89_001- CUP: J53D23001980006

Contributo MUR: € 53.267,00 - Importo Totale: € 75.684,00

Sottosettore ERC – PE8

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il progetto GOALS (Green Optimizations by Additive-manufactured Lightweight Structures) esplora nuove frontiere nella manifattura additiva (AM), concentrandosi sia sulle prestazioni ingegneristiche che sugli impatti ambientali. L’obiettivo è ottimizzare i prodotti sfruttando la stampa di oggetti eterogenei e multimateriali con composizioni variabili. La fase iniziale si focalizza sullo sviluppo di metodi per progettare prodotti con manifattura additiva a gradiente funzionale (FGAM), creando uno strumento che possa controllare la densità della struttura e le caratteristiche del modello CAD. Questa flessibilità consente l’ottimizzazione dei prodotti in diversi settori.

Nella fase successiva, il progetto cerca di colmare il divario tra prestazioni ingegneristiche ed ambientali, definendo un parametro comprensivo che integri entrambi gli aspetti. Oltre agli stress strutturali e alla riduzione del peso, verranno inclusi nuovi concetti come il rumore, il coefficiente di trasferimento del calore e l'ergonomia del prodotto. Dal punto di vista ambientale, verranno sviluppati nuovi indici di prestazione basati sulla valutazione del ciclo di vita (LCA), per considerare gli impatti ambientali nel design finale.

Il processo di ottimizzazione, di natura multi-obiettivo, mira a migliorare le prestazioni ingegneristiche riducendo al minimo l’impatto ambientale. La fattibilità dei progetti verrà verificata tramite test sperimentali, migliorando la comprensione di diverse tecniche di stampa dei metalli come la modellazione a deposizione fusa (FDM), la sinterizzazione e la fusione a letto

Description of the project, aims and expected results

The GOALS (Green Optimizations by Additive-manufactured Lightweight Structures) project aims to explore new frontiers in additive manufacturing technology, spanning from conceptualization to final testing, while also introducing novel performance metrics, especially focusing on environmental impacts. It seeks to redefine product optimization by harnessing the versatility offered by emerging additive technologies, particularly in printing multi-materials and heterogeneous objects with varying compositions. The initial phase concentrates on developing methods for designing functionally graded additive manufacturing products (FGAM), aiming to create a tool that can control structure density and key features of the CAD model. Leveraging the flexibility of design parameters, the project endeavors to optimize products across different domains. The subsequent phase aims to bridge the gap between engineering and environmental performance, defining a comprehensive parameter that encapsulates both aspects. This involves introducing new engineering performance concepts beyond structural stresses and weight reduction, incorporating factors like noise, heat transfer coefficient, and product ergonomics. Environmentally, enhanced performance indices based on life cycle assessment (LCA) will be devised, ensuring environmental impacts are considered in the final product design. The optimization process, multi-objective in nature, aims to enhance engineering performance while minimizing environmental footprints, thereby addressing both engineering and environmental aspects of the product. Feasibility of proposed designs is ensured through experimental tests, while enhancing understanding of various metal printing techniques like fused deposition modeling (FDM), furnace sintering, and powder bed fusion. Automotive and aeronautical products will serve as case studies to validate the efficacy of the methodology developed.

HYBR-ID: upper limb reHabilitation sYstem integrating exoskeleton assistance and functional electrical stimulation driven By a user tailoRed synergy-based Intention Detection framework

Responsabile DE MARCHIS Cristiano (Under 40)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022F3JPLY_002 - CUP: J53D23000700001

Contributo MUR: € 67.374,00 - Importo Totale: € 67.374,00

Sottosettore ERC – PE7

TrustPACTX - Design of the Hybrid Society Humans-Autonomous Systems: Architecture, Trustworthiness, Trust, EthiCs, and EXplainability (the case of Patient Care)

Responsabile DE MEO Pasquale

Dipartimento CIVILTA’ ANTICHE E MODERNE

Codice: 20228FETWM_003 - CUP: J53D23007040001

Contributo MUR: € 44.500,00 - Importo Totale: € 44.500,00

Sottosettore ERC – PE6

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

L'obiettivo del progetto è la realizzazione di un prototipo, relativo al settore sanitario, di una nuova nozione di “società ibrida” (HS): nella società ibrida gli esseri umani e i sistemi autonomi (AS, o “agenti”) saranno accoppiati a più livelli. La HS prevista comprenderà i principi e gli standard degli utenti umani. Gli utenti della società ibrida saranno supportati da agenti denominati Personal Assistant (PA), che collegheranno ogni utente alla HS. I PA svolgeranno il ruolo di “alter ego”, prendendosi cura degli umani e agendo a loro vantaggio. L’interazione PA-esseri umani può essere visto da un punto di vista puramente utilitaristico (ad esempio, consigliare a un paziente di riadattare una terapia) ma, in una prospettiva più ampia, i PA si prenderanno cura delle esigenze degli utenti e forniranno costantemente aiuto e assistenza. L'HS avrà vari tipi di utenti, tra cui pazienti, medici, assistenti, professionisti della sanità e amministratori della sanità. L'HS fornirà agli utenti l'accesso (tramite i loro PA) ai servizi pertinenti, incapsulati nei loro AS (ad esempio, Pronto Soccorso, trasporto d'emergenza, cliniche specializzate, strutture di intrattenimento, ecc.) Intendiamo definire, implementare e testare su casi reali i SA specializzati, incorporandovi i principi e i codici etici e di condotta richiesti in ambito sanitario. L'obiettivo è garantire, in prospettiva, un'assistenza di alta qualità, personalizzata, etica e sostenibile ai pazienti. Il progetto elaborerà un approccio operativo alla progettazione e allo sviluppo dell'HS sanitario, definendo: (i) un'infrastruttura tecnologica per la specifica dell'HS, (ii) metodi per tenere sotto controllo il funzionamento degli AS, in modo da garantire la loro affidabilità e un comportamento coerente del sistema complessivo (iii) strategie per incarnare e mettere in atto norme ed etica negli AS, e per spiegare il loro comportamento, in modo da costruire la fiducia degli esseri umani negli AS. Il prototipo di sistema che intendiamo implementare può costituire un primo passo verso una soluzione a lungo termine nella gestione quotidiana di malattie croniche e non trasmissibili in pazienti di tutte le età, come ad esempio il diabete giovanile, e di molte condizioni in una popolazione che invecchia. Utilizzeremo simulazioni per studiare in che misura i pazienti e i medici, le famiglie ecc. possono accettare, influenzare o rifiutare le decisioni prese da un SA (eventualmente incarnato in un robot). Questo con l'obiettivo di sviluppare un nuovo quadro teorico, appartenente alle nuove tendenze delle scienze cognitive, in cui gli esseri umani e gli AS appartengono a diverse classi di unità cognitive, definite da specifiche abilità cognitive e relativi livelli di autonomia. Il prototipo sarà sperimentato su due casi di studio, uno presso la Clinica Diabetologica dell'Ospedale Ss. Annunziata (Chieti, Italia), riguardante l'assistenza ai pazienti diabetici, e un altro presso il Centro di eccellenza ESH per l'ipertensione dell'Università dell'Aquila, riguardante il monitoraggio di incrementi pressori inattesi in pazienti ambulatoriali adulti.

Description of the project, aims and expected results

The Project’s objective is the realization of a prototype instance, related to the healthcare field, of a novel notion of "Hybrid Society"(HS) that we intend to propose, where humans and autonomous systems (AS, or “agents”) will be coupled at multiple levels. The envisaged HS will encompass human users’ principles and standards. Users in the Hybrid Society will be supported by PersonalAssistant Agents (PAs), that will connect each user to the HS. PAs will play the role of “alter ego”, taking care of humans, and acting to humans’ benefit. This may be seen on the purely utilitarian side (e.g., to advise a patient to readjust a therapy) but, in a wider perspective, PAs will care about users’ needs, and will steadily provide help and assistance. The HS will have various kinds of users,including patients, doctors, caregivers, healthcare professionals, healthcare administrators. HS will provide users’ access (via their PAs) to relevant services, encapsulated in their own ASs (e.g., Emergency Room, emergency transportation, specialist clinics, entertainment facilities, etc.). We intend to define, implement, and test on real case-studies the specialized HS, incorporating therein the principles, and the ethical and conduct codes required in the healthcare field. The aim is to ensure, in perspective, high-quality,personalized, ethical, and sustainable assistance to patients. The project will devise a working approach to the design and development of the healthcare HS, by defining: (i) a technological infrastructure for the specification of HS, (ii) methods to keep under control the operation of AS, so as to ensure their trustworthiness, and a consistent behaviour of the overall system (iii)strategies to embody and enact norms and ethics in AS, and to explain their behaviour, so as to build humans’ trust in AS. The prototype system that we intend to implement may constitute a first step towards a long-term solution in the everyday managementof chronic non-communicable illnesses in patients of all ages, such as, e.g., ( juvenile diabetes), and of many conditions in an ageing population. We will use simulations to study to what extent patients and physicians, families etc. may accept, influence, or reject decisions taken by an AS (possibly embodied in a robot). This with the objective to devise a novel theoretical framework, belonging to new trends in the cognitive sciences, where humans and AS belong to different classes of cognitive units, defined by specific cognitive abilities and related levels of autonomy. The prototype will be experimented on two case studies, one held at the Diabetes Clinic of the Hospital Ss. Annunziata (Chieti, Italy), concerning the assistance to diabetic patients, and another one held at the ESH Center of excellence for Hypertension of the University of L’Aquila, concerning the monitoring of unexpected increments in blood pressure in adult outpatients.

PLAstic Transport due to waves and currents ON Emerged and submerged beaches (PLATONE)

Responsabile FARACI Carla Lucia (PI)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022BCJ5W3_001 - CUP: J53D23002680006

Contributo MUR: € 83.372,00 - Importo Totale: € 108.851,00

Sottosettore ERC – PE10

English

The dramatically increasing diffusion of plastics in the marine environment is a major concern due to their persistence at sea, adverse consequences to marine life and human health. Mitigation strategies require an understanding and quantification of marine plastic sources, pathways and fate.

Though the offshore diffusion of plastic has been thoroughly analyzed, its dynamics in the surf and swash zone is still at an early stage and little is known about how the plastic particles are transported by coastal waves close to the shoreline and how they spread on emerged and submerged beaches. Further studies will improve the knowledge about plastic distribution along the water column, degradation phenomenon and beaching or washing off processes under regular and irregular waves combined with currents.

PLATONE will investigate the physical processes that lead anthropic waste to accumulate on the emerged beach and to be dispersed on the submerged one. Physical and numerical modeling carried out under a variety of wave and current conditions will be coupled and complemented to investigate the processes that can determine the beaching and recapturing of the waste material on the emerged beach. Concurrently, research will focus on the sea bottom, where processes involving the interaction between flow and sand-plastic mixtures are almost unknown. The success of the project will allow a significant advancement of the current knowledge on plastic dispersion in coastal areas and will ensure the definition of proper mitigation measures, essential to reduce the impacts on biotic as well as abiotic components of coastal ecosystems.

Italiano

La drammatica e crescente diffusione di plastiche nell'ambiente marino rappresenta una grande preoccupazione a causa della loro persistenza in mare e delle conseguenze negative per la vita marina e la salute umana. Le strategie di mitigazione richiedono la comprensione e la quantificazione delle fonti, dei percorsi e del destino delle plastiche marine. Sebbene la diffusione delle plastiche in alto mare sia stata ampiamente analizzata, le dinamiche nella surf e nella swash zone sono ancora in una fase iniziale e si sa poco su come le particelle di plastica vengano trasportate dalle onde verso la riva e su come si distribuiscano sulle spiagge emerse e sommerse. Sono necessari ulteriori studi per migliorare le conoscenze sulla distribuzione delle plastiche lungo la colonna d'acqua, sui fenomeni di degradazione e sui processi di beaching e washing off sotto l'azione di onde regolari e irregolari combinate con le correnti.

PLATONE indagherà i processi fisici che portano i rifiuti antropici ad accumularsi sulla spiaggia emersa e a disperdersi su quella sommersa. La modellazione fisica e numerica, condotta sotto una varietà di condizioni di onde e correnti, verrà combinata e integrata per indagare i processi che possono determinare lo spiaggiamento e il recupero del materiale di scarto sulla spiaggia emersa. Contemporaneamente, la ricerca si concentrerà sul fondo marino, dove i processi di interazione tra campo di moto e misture di sabbia e plastica sono quasi sconosciuti. Il successo del progetto permetterà un avanzamento significativo delle conoscenze attuali sulla dispersione delle plastiche nelle aree costiere e garantirà la definizione di adeguate misure di mitigazione, essenziali per ridurre gli impatti sulle componenti biotiche e abiotiche degli ecosistemi costieri.

G.A.N.D.A.L.F - Gan Approaches for Non-iiD Aiding Learning in Federations

Responsabile GALLETTA Antonino (Under 40)

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 2022Y93C8A_003 - CUP: J53D23007250006

Contributo MUR: € 64.999,00 - Importo Totale: € 74.999,00

Sottosettore ERC – PE6

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il Federated Learning (FL) è attualmente uno dei temi di ricerca più caldi nella comunità del machine learning. Introdotto da Google nel 2016, la crescente domanda di condivisione dei dati e il binomio privacy-sicurezza hanno favorito la sua ascesa. E se volessimo collaborare senza condividere i dati?

Pensiamo al campo medico e all'esperienza della pandemia di Covid-19. La lezione che abbiamo imparato è che, per ottenere diagnosi e terapie efficaci in tempi brevi, soprattutto quando tutti hanno conoscenze limitate, è essenziale avere un modello di apprendimento collaborativo. Tuttavia, la condivisione dei dati rappresenta un problema per molti motivi (pratici, vantaggi competitivi come i dati aziendali o leggi come quelle sui dati sanitari).

Mentre il Deep Learning (DL) classico richiede una grande quantità di dati centralizzati, il FL permette (i) agli utenti di addestrare un algoritmo su più database decentralizzati, (ii) una collaborazione fruttuosa con dati privati. Notoriamente, le prestazioni dei modelli FL si riducono drasticamente quando i dati non sono indipendenti e distribuiti in modo identico (non-iid). Inoltre, in situazioni in cui uno dei membri della federazione può attaccare maliziosamente gli altri, riducendo l'integrità dei dati, anche le prestazioni globali possono essere compromesse.

Obiettivi

Il progetto GANDALF mira ad affrontare una delle maggiori sfide del FL, il problema del non-IID, nel contesto più ampio dell'Edge Artificial Intelligence (Edge-AI). L'Edge-AI è un modo moderno di fare Machine Learning reso possibile da dispositivi edge più efficienti dal punto di vista computazionale (ad es. Google Coral e/o Nvidia Jetson). Affinché il FL funzioni bene, specialmente sull'Edge, la distribuzione delle classi tra i dispositivi deve essere il più bilanciata possibile. Le prestazioni si degradano quando le distribuzioni dei dataset locali sono estremamente incoerenti e non-IID.

Inoltre, GANDALF introdurrà una metodologia basata su Blockchain per mitigare l'incidenza di attacchi legati alla sicurezza sui dati, riguardanti le metodologie utilizzate per il problema del non-IID.

Ricerca

GANDALF si concentrerà su due principali attività di ricerca: (i) lo studio e la progettazione di una metodologia di Deep Learning, basata su un approccio leggero con Generative Adversarial Network (GAN), per generare dati sintetici sui dispositivi Edge, mirata a mitigare fortemente il problema del non-IID in un FL basato su Edge, e (ii) lo studio delle problematiche di sicurezza connesse al problema del non-IID che possono influenzare l'uso di un approccio GAN e la conseguente progettazione di una strategia basata su Blockchain per garantire l'integrità complessiva dei dati e di conseguenza evitare limitazioni nelle prestazioni.

Risultati e impatto

Il successo di GANDALF consentirà un FL più efficace sull'Edge integrando metodologie innovative di machine learning (ad es. approcci basati su GAN) nel problema del non-IID. Valuteremo la nostra proposta in un caso d'uso legato al settore sanitario (identificazione della postura corporea per prevenire cadute accidentali negli ospedali) per valutare le prestazioni, la sicurezza e la scalabilità dei metodi.

Description of the project, aims and expected results

Federated Learning (FL) is currently one of the hottest research topics in the machine learning community. Introduced by Google in 2016, the hunger for data sharing and the privacy-security tandem will favor its rise. What if we wanted to collaborate, but without sharing data? Let's think about the medical field and the experience of the Covid-19 pandemic. The lesson we have learned is that in order to reach effective diagnoses and therapies in a short time, especially when everyone has limited knowledge, it is essential to have a collaborative learning model. However, sharing data is a problem for many reasons (practicals, competitive advantages (business data), or laws (health data)).

While classical Deep Learning (DL) requires a huge amount of centralized data, FL allows (i) users to train an algorithm across multiple decentralized databases, and (ii) a fruitful collaboration with private data. Notably, the performance of FL models is drastically reduced when data are not independent and identically distributed (non-iid). In addition, in situations where one of the members of the federation can maliciously attack others, reducing the data integrity can also limit the global performance.

Objectives

The GANDALF project aims to address one of the most FL challenges, the non-IID problem, in light of the wider scenario of Edge artificial intelligence (Edge-AI). Edge-AI is a modern way of doing Machine Learning allowed by computationally more efficient edge devices (i.e. Google Coral and/or Nvidia Jetson). The distribution of classes across devices must be as close as possible for FL to perform well, especially on the Edge. The output degrades when local dataset distributions are extremely inconsistent and non-IID.

Moreover, GANDALF will introduce a suitable Blockchain-based methodology to mitigate the incidence of security-related attacks on the data concerning the methodologies used for the non-IID problem.

Research

GANDALF will focus on two main research activities: (i) the study and design of a Deep Learning methodology, based on a lightweight.

Generative Adversarial Network (GAN) approach, to generate synthetic data on Edge devices, aimed to strongly mitigate the non-IID issue in an Edge-based FL, (ii) the study of the security issues connected to the non-IID problem that can affect the use of a GAN approach and the consequent design of a Blockchain-based strategy to ensure the overall data integrity and consequently avoiding limitations in the performance.

Outcomes and impact

The success of GANDALF will enable a more effective FL on the Edge by integrating innovative machine learning methodologies (i.e. GAN-based approaches) into the non-IID issue. We evaluate our proposal on a use case related to the healthcare domain (body posture identification for preventing accidental falls in hospitals) to assess the performance, security, and scalability methods.

Magneto-Mechanical Accelerometers, Gyroscopes and Computing based on nanoscale magnetic tunnel junctions (MMAGYC)

Responsabile GARESCI’ Francesca (PI)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 20225YF2S4_001- CUP: J53D23001940006

Contributo MUR: € 81.192,00 - Importo Totale: € 109.073,00

Sottosettore ERC – PE8

Magnetic field assisted photo(electro) CO2 conversion (MAPEC)

Responsabile GENOVESE Chiara (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022599NR3_004 - CUP: J53D23008490006

Contributo MUR: € 46.644,00 - Importo Totale: € 53.484,00

Sottosettore ERC – PE5

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il Progetto MAPEC, Magnetic field assisted photo(electro) CO2 conversion, vede la partecipazione di quattro unità di ricerca con competenze multidisciplinari (UniMe, UniMi, UniMib, UniTo) e riguarda lo sviluppo di materiali fotoattivi da utilizzare per la foto(elettro)riduzione della CO2 in presenza o meno di campi magnetici. La riduzione foto(elettro)catalitica (PEC) è una delle tecnologie più promettenti per realizzare la conversione diretta della CO2 in sostanze chimiche ad alto valore aggiunto, mediante l’utilizzo di foto elettrodi opportunamente funzionalizzati, il cui utilizzo dipende fortemente dalla loro capacità di assorbire un'ampia porzione dello spettro solare, garantendo un'efficiente separazione di carica e trasferimento interfacciale. La possibilità di utilizzare il campo magnetico (MF) per superare alcuni degli svantaggi legati all’uso di questi materiali, è un approccio estremamente promettente.

Finalità e risultati attesi

L’obiettivo principale di questo progetto è quello di rivelare la potenzialità dell’applicazione di campi magnetici nel migliorare l'attività complessiva (in termini di efficienza e/o selettività) di elettrodi adeguatamente progettati per essere utilizzati nella foto (elettro) riduzione di CO2. In particolare, le variazioni indotte da tali campi magnetici saranno studiate in funzione i) della presenza di magneti permanenti esterni; ii) di campi magnetici locali direttamente generati da sistemi integrati e iii) dell'interazione tra questi due componenti. I risultati attesi sono rilevanti sia dal punto di vista scientifico che economico e possono contribuire alla messa a punto di catalizzatori efficienti per il processo di conversione della CO2 (o di produzione di H2) nell’ottica di una economia circolare di riutilizzo e recupero.

Description of the project, aims and expected results

The MAPEC Project, Magnetic field assisted photo(electro) CO2 conversion, involves the participation of four research units with multidisciplinary expertise (UniMe, UniMi, UniMib, UniTo) and focuses on the development of photoactive materials to be used for the photo(electro)reduction of CO2 in the presence or absence of magnetic fields. Photo(electro)catalytic reduction (PEC) is one of the most promising technologies for directly converting CO2 into high-value-added chemicals, utilizing appropriately functionalized photoelectrodes. Their effectiveness strongly depends on their ability to absorb a wide portion of the solar spectrum, ensuring efficient charge separation and interfacial transfer. The possibility of using the magnetic field (MF) to overcome some disadvantages associated with these materials, is an extremely promising approach.

Objectives and Expected Results

The main objective of this project is to reveal the potential of applying magnetic fields to improve the overall activity (in terms of efficiency and/or selectivity) of suitably designed electrodes for use in photo(electro)reduction of CO2. In particular, the variations induced by such magnetic fields will be studied based on i) the presence of external permanent magnets; ii) locally generated magnetic fields directly produced by integrated systems; and iii) the interaction between these two components. The expected results are relevant both scientifically and economically and may contribute to the development of efficient catalysts for the CO2 conversion process (or H2 production) in line with a circular economy focused on reuse and recovery.

Assessment of nano/microplastics impacts

Responsabile GIARRATANA Filippo (Under 40)

Dipartimento SCIENZE VETERINARIE

Codice: 202293AX2L_003 - CUP: J53D23007450006

Contributo MUR: € 32.777,00 - Importo Totale: € 51.664,00

Sottosettore ERC – PE4

SKYrmion-based magnetic tunnel junction to design a temperature SENSor - SkySens

Responsabile GIORDANO Anna (Under 40)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 20222N9A73_002 - CUP: J53D23000570006

Contributo MUR: € 46.625,00 - Importo Totale: € 63.500,00

Sottosettore ERC – PE7

Abstract

SkySens will aim at designing a new sensor concept based on magnetic skyrmions to measure temperature. This goal will be achieved by combining new fundamental understanding on thermal-driven dynamics (from skyrmions in thin films to magnetic solitons in the non-explored field of 3D materials) and the experimental stabilization and detection of skyrmions in MTJs. Beyond the project goal, the results of SkySens will motivate additional research in the community to envisage new device functionalities which can impact the broad and mutually-interacting fields of IoT, sensing, computing, and AI. The Southern-Italy team will work at cutting-edge research in Skyrmionics and magnetic solitons, with the ultimate objective to strengthen the Italian leadership in the European ecosystem of Spintronics. The theoretical background and complementary expertise of the members of SkySens will not only provide intuitive and rigorous comprehension of the observed phenomena, but also will consolidate, inspire, and guide the research activities of worldwide research groups leader in applied magnetism, and more specifically in Skyrmionics.

Abstract
SkySens mira a progettare un nuovo concetto di sensore basato sugli skyrmion magnetici per misurare la temperatura. Questo obiettivo sarà raggiunto combinando una nuova comprensione fondamentale della dinamica guidata dal calore (dagli skyrmion in film sottili ai solitoni magnetici nel campo inesplorato dei materiali 3D) con la stabilizzazione e la rilevazione sperimentale degli skyrmion nelle giunzioni tunnel magnetiche (MTJ). Oltre al raggiungimento dell'obiettivo del progetto, i risultati di SkySens stimoleranno ulteriori ricerche nella comunità scientifica, aprendo la strada a nuove funzionalità dei dispositivi che potrebbero avere un impatto nei settori interconnessi dell'IoT, della sensoristica, del calcolo e dell'intelligenza artificiale.
Il team del Sud Italia lavorerà su ricerche all'avanguardia nel campo della Skyrmionica e dei solitoni magnetici, con l'obiettivo finale di rafforzare la leadership italiana nell'ecosistema europeo della spintronica. Il background teorico e l'expertise complementare dei membri di SkySens non solo forniranno una comprensione intuitiva e rigorosa dei fenomeni osservati, ma contribuiranno anche a consolidare, ispirare e guidare le attività di ricerca dei gruppi leader a livello mondiale nel magnetismo applicato, e in particolare nella Skyrmionica.

PHOTOactive aerophobic hydroGels for hydrogEN generation in molecular-based photoelectrosynthetic cells (PHOTOGEN)

Responsabile LA GANGA Giuseppina (PI) (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022AWXS83_001 - CUP: J53D23007470006

Contributo MUR: € 84.156,00 - Importo Totale: € 97.468,00

Sottosettore ERC – PE4

Wastezilla: Recycled waste biomass for efficient recovery of critical elements

Responsabile LANDO Gabriele (PI)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022HYH95P_001 - CUP: J53D23007540006

ContributoMUR: € 60.334,00 - Importo Totale: € 87.026,00

Sottosettore ERC – PE4

DEMETRA: an integrated platform for smart nutrient estimation in agriculture 4.0 featuring smartphone-based spectroscopy, machine learning as-a-service, and open data

Responsabile LONGO Francesco (Under 40)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022PMPFLC_002 - CUP: J53D23000830006

Contributo MUR: € 65.600,00 - Importo Totale: € 80.269,00

Sottosettore ERC – PE7

Il progetto DEMETRA si colloca nel contesto dell'Agricoltura 4.0, un modello che integra progressi tecnologici come l'Internet of Things (IoT), l'analisi dei dati, l'intelligenza artificiale e la robotica nell'ambito agricolo. Questo nuovo paradigma mira a migliorare l'efficienza produttiva, la sostenibilità ambientale e la resilienza del settore agricolo.

Il principale risultato atteso del progetto DEMETRA è la progettazione e prototipazzione di uno spettrometro miniaturizzato basato su smartphone che consenta agli operatori agricoli di effettuare misurazioni rapide e precise dei nutrienti delle piante direttamente nei campi. Questo strumento è fondamentale per ottimizzare la gestione dei nutrienti, garantendo una distribuzione equilibrata dei fertilizzanti e riducendo gli sprechi.

Il funzionamento dello spettrometro si baserà sull’uso di specifici algoritmi di Machine Learning per analizzare i dati spettrali e stimare i livelli di nutrienti nelle piante, opportunamento studiati ed implementati durante il progetto. Questi algoritmi permetteranno una valutazione accurata e in tempo reale delle condizioni delle colture, consentendo agli operatori agricoli di prendere decisioni informate e tempestive.

Infine il progetto DEMETRA, progetterà una infrastruttura centralizzata per l’archiviazione e la condivisione dei dati spettrali e relativi livelli di nutrienti raccolti dalle misurazioni. Questo sistema favorirà la collaborazione e lo scambio di conoscenze tra ricercatori e agricoltori, contribuendo alla diffusione delle migliori pratiche agricole e alla promozione della sostenibilità nel settore agricolo.

In sintesi, DEMETRA rappresenta un esempio concreto di come l'Agricoltura 4.0 possa essere applicata per affrontare sfide cruciali come la gestione dei nutrienti, promuovendo al contempo l'innovazione tecnologica e la sostenibilità nel settore agricolo.

Abstract

The DEMETRA project is situated within the context of Agriculture 4.0, a model that integrates technological advancements such as the Internet of Things (IoT), data analysis, artificial intelligence, and robotics in agriculture. This new paradigm aims to enhance productivity efficiency, environmental sustainability, and resilience in the agricultural sector.

The primary anticipated outcome of the DEMETRA project is the design and prototyping of a miniaturized spectrometer based on smartphones, enabling farmers to conduct quick and precise measurements of plant nutrients directly in the fields. This tool is pivotal for optimizing nutrient management, ensuring balanced fertilizer distribution, and minimizing wastage.

The spectrometer's functionality will rely on specific Machine Learning algorithms to analyze spectral data and estimate nutrient levels in plants, meticulously studied and implemented during the project. These algorithms will facilitate accurate, real-time assessment of crop conditions, empowering farmers to make informed and timely decisions.

Moreover, the DEMETRA project will develop a centralized infrastructure for storing and sharing spectral data and corresponding nutrient levels collected from measurements. This system will foster collaboration and knowledge exchange between researchers and farmers, fostering the dissemination of best agricultural practices and advancing sustainability in the agricultural sector.

In essence, DEMETRA represents a tangible example of how Agriculture 4.0 can be applied to tackle critical challenges like nutrient management, while promoting technological innovation and sustainability in the agricultural sector.

Geopolymer Concrete Thermochemical Energy Storage Sandwich for Buildings Applications (GThESS)

Responsabile MASTRONARDO Emanuela (PI)

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 20228C35SY_001 - CUP: J53D23003420006

Contributo MUR: € 105.400,00 - Importo Totale: € 123.400,00

Sottosettore ERC – PE11

Reliable and rapid profiling of pesticides in cannabis sativa l. By real-time in electron ionization detection (rei) and gas chromatography-mass spectrometry techniques, with particular emphasis on the miniaturization and automation of sample preparation

Responsabile MICALIZZI Giuseppe (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 202224R9NL_002 - CUP: J53D23007260006

Contributo MUR: € 73.509,00 - Importo Totale: € 100.000,00

Sottosettore ERC – PE4

Development of calibration procedures of Tip Timing systems for non-contact turbine blade vibration measurements

Responsabile MONTANINI Roberto

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022TY7JM5_003- CUP: J53D23002450006

Contributo MUR: € 50.323,00 - Importo Totale: € 69.631,00

Sottosettore ERC – PE8

BREVE DESCRIZIONE DEL PROGETTO

La tecnica di misura Blade Tip Timing (BTT), nata dai laboratori della NASA e dell’US Air Force negli anni ’80, è tutt’oggi la più avanzata tecnica per la misura delle vibrazioni delle palette di turbomacchine assiali. L’idea alla base è quella di ottenere la misura della deflessione istantanea della sommità di ogni paletta tramite la valutazione dell’anticipo o del ritardo del suo passaggio su sensori di prossimità, installati sullo statore della macchina. Sistemi di misura BTT commerciali sono già in uso presso aziende leader nella realizzazione di motori aeronautici e di turbine per la produzione di energia. Ad oggi, non esistono ancora procedure di calibrazione certificate che consentano di stabilire con precisione l’incertezza di misura dei sistemi BTT. Per affrontare tale obiettivo sfidante, il progetto si propone di sviluppare e realizzare un innovativo banco prova basato sulla inversione cinematica, in cui la paletta è rigida e indeformabile mentre il sensore di temporizzazione viene fatto vibrare.

FINALITA’

Realizzare un banco prova a cinematica inversa per testare le sorgenti di incertezza della tecnica di misura BTT. Lo sviluppo di metodologie e tecniche per la calibrazione dei sistemi BBT costituisce un obiettivo di enorme impatto tecnologico, in quanto risponde alla forte richiesta di validazione metrologica dei più grandi produttori di turbomacchine e motori aereonautici che oggi impiegano la tecnica BTT nelle fasi di monitoraggio, diagnostica e certificazione dei livelli di vibrazione delle palette di turbina.

RISULTATI ATTESI

I risultati attesi, qualora pienamente raggiunti, potranno costituire una solida base scientifica per la futura definizione di tecniche e norme internazionali per la calibrazione dei sistemi commerciali attualmente in uso.

Brief description

Blade Tip Timing (BTT), a measurement technique developed by NASA and US Air Force laboratories in the 1980s, is still the most advanced technique for measuring the vibrations of axial turbomachinery blades. The basic idea is to obtain the measurement of the instantaneous deflection of each blade tip by evaluating the advance or delay of its passage on proximity sensors, installed on the stator of the machine. Commercial BTT measurement systems are already in use by leading manufacturing companies of aircraft engines and turbines for power generation. Actually, there are still no certified calibration procedures that allow to accurately establish the measurement uncertainty of BTT systems. To address this challenging goal, the project aims to develop and implement an innovative test bench based on kinematic inversion, in which the blade is rigid and non-deformable while the timing sensor is made to vibrate.

Goals

Designing and realizing an innovative test bench based on inverse kinematics to assess the uncertainty sources of the BTT measurement technique. The development of methodologies and techniques for the calibration of BBT systems is a goal of enormous technological impact, as it responds to the strong demand for metrological validation of the largest manufacturers of turbomachinery and aircraft engines that today use the BTT technique in the phases of monitoring, diagnostics and certification of turbine blades.

EXPECTED RESULTS

The expected results, if fully achieved, could constitute a solid scientific basis for the future definition of international standards for the calibration of commercial systems currently in use.

ALTEREGO: how to emulate intentionality and awareness in remote communications by means of software surrogates

Responsabile PERCONTI Pietro

Dipartimento SCIENZE COGNITIVE, PSICOLOGICHE, PEDAGOGICHE E DEGLI STUDI CULTURALI

Codice: 2022MM8LKM_003 - CUP: J53D23007150006

Contributo MUR: € 44.390,00 - Importo Totale: € 54.374,00

Sottosettore ERC – PE6

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

L'idea di base del progetto ALTEREGO è quella di analizzare aspetti della ricerca sull'IA e la coscienza per creare un avatar in grado di sostenere interazioni efficaci online in vari contesti comunicativi nel metaverso.

Il risultato n.1 del progetto è uno studio di fattibilità per realizzare un avatar che costituirà la base per l’implementazione industriale di un avatar efficace. Alcune aziende hanno già espresso grande interesse in tale progetto. Inoltre, il progetto produrrà come risultato n.2 un proof of concept implementando una versione semplificata dell'avatar, che dimostri alcuni aspetti critici di ALTEREGO in un semplice contesto comunicativo.

Lo studio di fattibilità e il proof of concept prenderanno in considerazione la presenza virtuale e le capacità conversazionali basate sull’intenzionalità, ovvero la capacità dell'avatar di trasmettere gli obiettivi della persona originale e di comportarsi come se avesse gli stessi obiettivi; la forma vitale, cioè l’aspetto del movimento (corpo e paralinguaggio) che lo collega alla dimensione psico-emotiva; la Teoria della Mente, ossia la capacità di connettersi adeguatamente agli altri in contesti sociali impiegando un linguaggio mentalistico; e l'incarnazione, ovvero la capacità di collocarsi nella prospettiva in prima persona degli utenti emulando il loro comportamento.

La ricerca si concentrerà sul caso dei cosiddetti “VIP influencers” dei social media. Sono un caso di studio ideale per ALTEREGO, poiché spesso sono stereotipati, tendono a seguire un copione e sono solitamente ben rappresentati da dati campione pubblicamente disponibili (video, audio, testi).

Successivamente, il risultato n.1 concettualizzerà tre proposte sperimentali. Le prime due proposte valuteranno empiricamente se l'attribuzione di intenzionalità e affidabilità a un avatar virtuale sia influenzata dalle forme vitali associate ai movimenti del corpo, dalle proprietà paralinguistiche (prosodia) e dai contenuti comunicativi basati sul linguaggio mentalistico. Queste proposte sperimentali forniranno basi teoriche per giustificare l'uso di tali variabili (forme vitali e linguaggio mentalistico) nella progettazione e implementazione di agenti virtuali. La terza proposta delineerà possibili scenari concreti in cui valutare gli effetti degli avatar virtuali che fungono da ALTEREGO sulla percezione dell’intenzionalità, affidabilità, piacevolezza ed efficacia comunicativa degli altri. Inoltre, questo esperimento sarà concepito per esplorare come casi di studio il grado di possesso (fisico, psicologico e comunicativo) percepito dai proprietari riguardo il proprio ALTEREGO. Infine, le questioni etiche saranno considerate e analizzate.

Il risultato n.2 del progetto sarà un proof of concept implementato. Prenderà in considerazione un caso semplificato, non riproducendo un influencer VIP specifico e noto, ma una versione semplificata di un micro-influencer sociale nel contesto delle attività di marketing sui social media. Pertanto, alcune delle capacità menzionate sopra saranno implementate e valutate.

Description of the project, aims and expected results

The basic idea of the project ALTEREGO is to analyze aspects of AI and consciousness research to produce an avatar able to sustain effective online interactions in different communicative contexts in the metaverse.
Outcome #1 of the project is a feasibility study to realize an avatar that will be the basis of the industrial implementation of an effective avatar. Some companies have already expressed great interest. Moreover, the project will produce as outcome#2 a proof of concept by implementing a simplified version of the avatar demonstrating some of the critical aspects of ALTEREGO in a simple communicative context.
The feasibility study and the proof of concept will consider the virtual presence and conversational capabilities based on intentionality, i.e., the avatar's capability to convey the original person's goals and behave as though it had the same objectives; the vitality form, i.e., the movement aspect (body and paralanguage) that relates it with the psycho-emotional dimension; the Theory of Mind, i.e., the capability to appropriately connect to the others in social contexts employing mentalistic language; the embodiment, i.e., the ability to be collocated in the users' first-person perspectives by emulating their behavior.
The research will concern the case of the so-called social media VIP influencer. They are an ideal case study for ALTEREGO because they are often stereotypical, tend to follow a script, and are usually well-sampled by publicly available sample data (video, audio, textual).
Then, outcome #1 will conceptualize three experimental proposals. The first two proposals will consider the empirical assessment of whether the attribution of intentionality and trustworthiness to a virtual avatar is affected by the vitality forms associated with its body movement, paralinguistic properties (prosody), and by communicative content based on its mentalistic language. These experimental proposals will provide theoretical grounds that justify using such variables (vitality forms and mentalistic language) in the design and implementation of virtual agents. The third proposal will outline possible concrete scenarios under which the effects of virtual avatars playing as an ALTEREGO on the others' perception of intentionality, trustworthiness, pleasantness, and communication efficacy could be evaluated. Additionally, this experiment will be conceptualized to explore as case studies the degree of ownership (physical, psychological, and communicative) perceived by owners about their ALTEREGO. Finally, the ethical issues will be considered and analyzed.
Outcome #2 of the project will be an implemented proof of concept. It will consider a simplified case by not reproducing a specific well-known VIP influencer, but a simplified version of a micro-social influencer in the context of social media marketing activities. Therefore, some of the capabilities mentioned above will be implemented and evaluated.

JOint ResoUrce Management in ReconfigurabLE I4.0 Factories (JOULE)

Responsabile PULIAFITO Antonio

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022TMT4WA_003 - CUP: J53D23007200006

Contributo MUR: € 73.013,00 - Importo Totale: € 94.813,00

Sottosettore ERC – PE6

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il progettoJOULE si concentra sulla gestione delle risorse virtualizzate in ambienti informatici industriali in rete per affrontare le sfide emergenti dell'Industrial Internet of Things (IIoT).

L'obiettivo principale è studiare, modellare, progettare e valutare meccanismi e strategie per una gestione delle risorse sottoposta a vincoli di qualità del servizio (QoS) in contesti industriali che cambiano rapidamente. Ciò richiede la creazione di soluzioni innovative per consentire la riallocazione e la configurazione dinamica delle risorse di calcolo, archiviazione e rete, assicurando al contempo che siano soddisfatte le specifiche esigenze delle applicazioni industriali.

L'identificazione di modelli unificati per la gestione delle risorse virtualizzate, la creazione di algoritmi per la reallocazione dinamicadelle risorse e l'implementazione di meccanismi distribuiti per l'orchestrazione della QoS sono tutti obiettivi del progetto. I risultati previsti includono la creazione di una piattaforma integrata per la gestione end-to-end della QoS, la creazione di best practice, meccanismi e prototipi specializzati per fabbriche I4.0 riconfigurabili. "Questo progetto punta all'avanzamento della conoscenza nell'ambito dell'IIoT e dell'Industria 4.0, mirando a fornire soluzioni innovative per migliorare l'efficienza e la flessibilità dei processi di produzione industriale, contribuendo così alla competitività del settore manifatturiero.

SUN-SPOT: copper indium Sulfide qUaNtum dotS as Photocatalysts for sun-driven biomass OxidaTion

Responsabile PUNTORIERO Fausto (PI)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022JA3PSC_001 - CUP: J53D23007550006

Contributo MUR: € 79.968,00 - Importo Totale: € 96.848,00

Sottosettore ERC – PE4

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

SUN-SPOT: Quantum dot di rame indio solfuro per l'ossidazione fotocatalitica delle biomasse

Il progetto SUN-SPOT mira alla produzione di idrogeno a energia solare dalla riduzione dell'acqua, abbinata alla valorizzazione della biomassa per ottenere prodotti chimici a valore aggiunto.

A tal fine, SUN-SPOT propone la progettazione e la sintesi di nanomateriali ibridi basati su Quantum Dots di solfuro di rame e indio (CIS QDs) e catalizzatori molecolari che possono essere incorporati in una cella fotoelettrochimica finalizzata alla conversione e all'immagazzinamento dell'energia solare in prodotti chimici a valore aggiunto e specie ricche di energia (combustibili solari). Per raggiungere questo obiettivo innovativo, il progetto prevede uno studio approfondito delle proprietà fotofisiche ed elettrochimiche dei nuovi nanomateriali ibridi e dei loro componenti. Questo studio preliminare permetterà di acquisire le conoscenze per elucidare l'accoppiamento elettronico tra il QD e il catalizzatore in base alle loro proprietà e alla loro funzionalizzazione. Le subunità più performanti saranno utilizzate per la preparazione di appropriati fotoanodi in grado di produrre, mediante ossidazione di specie derivate dalla biomassa, sostanze chimiche a valore aggiunto utili come mattoni per l'industria chimica. Come composti modello saranno utilizzati gli alcoli derivati dalla biomassa, dato l'interesse dell'industria dei polimeri per il prodotto della sua ossidazione, l'acido 2,5-furandicarbossilico. Contemporaneamente, il comparto catodico della cella sarà caratterizzato da elettrodi a base di carbonio funzionalizzati con catalizzatori a base di metalli abbondanti, come Ni3S2, per la riduzione dell'acqua ad idrogeno. L'efficienza target - il rapporto tra l'energia chimica immagazzinata nei prodotti di ossidazione e risuzione e l'energia solare incidente sulla cella fotoelettrochimica - è del 4%.

Description of the project, aims and expected results

The SUN-SPOT project targets the solar-driven production of hydrogen from water reduction, coupled to biomass valorization to obtain added value chemicals.
To this goal, SUN-SPOT proposes the design and synthesis of hybrid nanomaterials based on Copper Indium Sulfide Quantum Dots (CIS QDs) and molecular catalysts that can be incorporated as active elements in a photoelectrochemical cell aimed at the conversion and storage of solar energy into added-value chemicals and energy rich species (solar fuels). To achieve this innovative target, the project includes an in-depth study of the photophysical and electrochemical properties of the new hybrid nanomaterial and their components. This preliminary study will allow to acquire the knowledge to clarify the electronic coupling between the QD and the catalyst according to their characteristics and their functionalization. The best performing subunits will be used for the preparation of appropriate photoanodes capable of producing, by oxidation of biomass derived species, added-value chemicals useful as building blocks for chemical industry. As a model compounds biomass alcohol derivatives will be used due to the interest of polymer industry in the product of its oxidation, the 2,5-furandicarboxylic acid. At the same time, the cathodic compartment of the photoelectrochemical cell will feature carbon-based electrodes functionalized with earth-abundant catalysts, such as Ni3S2, for hydrogen production by water reduction. The target efficiency of solar-to-chemical energy conversion is 4%, which represents the ratio between the chemical energy, stored in the produced hydrogen and oxidation product of biomass-derived alcohols, and the solar energy incident on the photoelectrochemical cell.

Metal ADditive manufacturing fatigue prediction tools for LIFE enhancement (MADforLIFE)

Responsabile RISITANO Giacomo

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022JE3LRA_002 - CUP: J53D23002150006

Contributo MUR: € 64.116,00 - Importo Totale: € 81.142,00

Sottosettore ERC – PE8

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

La stampa 3D metallica o produzione additiva di metalli (MAM) è una tecnologia emergente che produce componenti strutturali ottimizzati per minimizzare massa, funzionalità, tempo di produzione e sprechi. MAM offre una libertà di progettazione senza precedenti grazie alla capacità di produrre forme quasi definitive, emergendo come una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria in vari settori. Nonostante lo sviluppo rapido, il MAM è ancora percepito più come uno strumento di prototipazione che non come tecnologia di produzione industriale a causa delle preoccupazioni relative alla qualità e affidabilità delle prestazioni strutturali dei materiali, soprattutto per quanto riguarda le tensioni residue e i difetti che possono compromettere la vita a fatica dei componenti.

Il progetto mira a sviluppare metodi più rapidi ed economici per caratterizzare il comportamento a fatica dei materiali metallici AM, usando strumenti di caratterizzazione innovativi basati su metriche energetiche di deformazione e temperatura. Questi strumenti sfrutteranno tecniche di misurazione non a contatto come la Correlazione di Immagini Digitali e la Termografia a Infrarossi, migliorando l'efficienza dei processi e fornendo dati dettagliati che includono limiti di fatica ad alto ciclo, parametri di meccanica della frattura e modelli di crescita delle crepe. Questo contribuirà a ottimizzare il processo MAM e a rendere più affidabile la certificazione dei componenti, accelerando l'integrazione del MAM come metodo di produzione principale, in linea con gli obiettivi dell'Industria 4.0.

Description of the project, aims and expected results

Metal 3D Printing, or Metal Additive Manufacturing (MAM), is an emerging technology that produces structural components optimized for minimal mass, functionality, production time, and waste. MAM offers unprecedented design freedom by enabling the production of near-net shapes, emerging as a potentially revolutionary technology in various sectors. Despite rapid development, MAM is still perceived more as a prototyping tool than an industrial production technology due to concerns about the quality and reliability of the material's structural performance, particularly regarding residual stresses and defects that can compromise component fatigue life.

The project aims to develop faster and more cost-effective methods to characterize the fatigue behavior of AM metallic materials, using innovative characterization tools based on strain and temperature-based energetic metrics. These tools will utilize non-contact measurement techniques such as Digital Image Correlation and Infrared Thermography, enhancing process efficiency and providing detailed data that includes high-cycle fatigue limits, fracture mechanics parameters, and crack growth models. This will help optimize the MAM process and make component certification more reliable, accelerating the integration of MAM as a mainstream production method, in line with Industry 4.0 objectives.

EnantioSelex - Mapping and controlling nanoscale optomechanical forces for separation of chiral analytes

Responsabile SAIJA Rosalba

Dipartimento SCIENZE MATEMATICHE E INFORMATICHE, SCIENZE FISICHE E SCIENZE DELLA TERRA

Codice: 2022P9F79R_002 - CUP: J53D23001460006

Contributo MUR: € 60.260,00 - Importo Totale: € 80.422,00

Sottosettore ERC – PE3

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Descrizione: La nostra ipotesi di ricerca è che i campi elettromagnetici generati dalle metasuperfici possono abilitare una peculiare azione optomeccanica per il controllo delle particelle submicrometriche che siano polarizzabili.
Mediante l’ingegnerizzazione di metasuperfici epsilon-near-zero (ENZ), dove la permittività relativa e/o la permeabilità relativa raggiunge valori prossimi allo zero, puntiamo a ottenere una radiazione elettromagnetica che possa presentare una distribuzione spaziale "statica" ma temporalmente dinamica.

Finalità: Il progetto EnantioSelex mira a condurre uno studio fondamentale per la progettazione inversa di una piattaforma nanofotonica, basata su metasuperfici dielettriche/plasmoniche, in grado di separare meccanicamente particelle
e/o biomolecole chirali.

Risultati attesi: Uno dei primi risultati che intendiamo conseguire riguarda la possibilità di levitazione delle nanoparticelle chirali elettricamente polarizzate nella vicinanza di substrati ENZ (forze assiali). Tali metasuperfici, che possono essere
nanostrutturate mediante strutture ibride metallo-dielettriche, sono in grado di indurre anche forze trasversali. Le superfici saranno caratterizzazione otticamente sia dal punto di vista teorico che dal punto di vista sperimentale, inoltre la misura della intensità delle forze verrà effettuata per mezzo delle pinzette ottiche. Sfruttando queste forze optomeccaniche sarà implementato un processo di selezione per consentire la separazione e il riconoscimento di forme enantiomeriche destre e sinistre di particelle chirali e biomolecole bersaglio.

Unique analytical workflow involving COMPLEmentary TEchniques for the reliable molecular identification of hydrocarbons (CompleTe)

Responsabile SALERNO Tania Maria Grazia (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022KC2BRL_002 - CUP: J53D23007600006

Contributo MUR: € 109.000,00 - Importo Totale: € 131.263,00

Sottosettore ERC – PE

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il progetto CompleTe “Unique analytical workflow involving COMPLEmentary TEchniques for the reliable molecular identification of hydrocarbons” è realizzato in collaborazione con l’università degli studi di Ferrara e mira allo sviluppo di metodiche analitiche innovative utilizzabili per la determinazione della composizione della componente idrocarburica in matrici complesse di natura biologica e/o ambientale.

Il progetto prevede di applicare le metodiche sviluppate per identificare i composti idrocarburici, caratterizzati da una grande varietà strutturale e isomerismo conformazionale, in campioni quali ad esempio gli oli di pirolisi (ottenuti da riciclo della plastica). La presenza di svariati isomeri contribuisce alla complessità di queste miscele e ne influenza le proprietà, come volatilità, viscosità, stabilità e reattività chimica.

In particolare, l’attività di ricerca sarà condotta utilizzando tecniche analitiche innovative basate sulla cromatografia gassosa (mono e multidimensionale) in combinazione a spettrometria di massa e spettroscopia infrarossa in fase solida. L’utilizzo di queste tecniche, complementari per il tipo di informazione ottenibile, permetterà l’identificazione univoca delle componenti in miscela.

In dettaglio, analizzare e comprendere la composizione idrocarburica degli oli di pirolisi è importante per applicazioni quali la produzione di biocarburanti e il risanamento ambientale. Pertanto, la caratterizzazione molecolare dei prodotti di scarto attraverso l'applicazione delle metodologie analitiche innovative che verranno sviluppate in questo progetto contribuirà a dare un impulso al progresso tecnologico in questo settore della ricerca.

Description of the project, aims and expected results

The project CompleTe “Unique analytical workflow involving COMPLEmentary TEchniques for the reliable molecular identification of hydrocarbons” is carried out in collaboration with the University of Ferrara with the aims to develop innovative analytical methods useful to determine the composition of the hydrocarbon component in complex matrices of a biological and/or environmental nature.

The methods developed within the project will be applied to identify hydrocarbon compounds, characterized by a great structural variety and conformational isomerism, in samples such as pyrolysis oils (obtained from plastic recycling). The presence of various isomers contributes to the complexity of these mixtures and influences their properties, such as volatility, viscosity, stability and chemical reactivity.

In particular, the research activity will be conducted using innovative analytical techniques based on gas chromatography (single and multidimensional) in combination with mass spectrometry and solid phase infrared spectroscopy. The use of these techniques, complementary to the type of information obtainable, will allow the unambiguous identification of the components in the mixture.

In detail, understanding hydrocarbon composition of pyrolysis oils is important for applications such as biofuel production and environmental application. Therefore, the molecular characterization of waste products by means of the innovative analytical methodologies that will be developed in this project will contribute to giving a boost to technological progress in this research sector.

Fluorinated PLGA-PEO dendrImers as 19F MRI Nanotheranostics for ostEosarcoma management (FINE)

Responsabile SCALA Angela (PI) (Under 40)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022P99NY5_001 - CUP: J53D23008760006

Contributo MUR: € 94.666 - Importo Totale: € 115.014,00

Sottosettore ERC – PE5

Breve descrizione del progetto, delle finalità, dei risultati attesi

Il progetto FINE propone lo sviluppo di nuovi polimeri anfifilici fluorurati con l'obiettivo di preparare nanovettori innovativi di farmaci (drug delivery systems) in grado di combinare proprietà diagnostiche e terapeutiche in una singola nanostruttura per il trattamento dell'osteosarcoma.

I polimeri saranno preparati mediante classiche strategie di sintesi organica e la caratterizzazione dei prodotti verrà effettuata tramite analisi NMR, GPC, MALDI-ToF. Le proprietà di self assembly tipiche dei copolimeri anfifilici verranno sfruttate per la nanoformulazione e l'incorporazione di farmaci antitumorali tipicamente utilizzati per il trattamento dell'osteosarcoma (Doxorubicina, ecc) per sviluppare nanosistemi multifunzionali potenzialmente utili per la 19F MRI.

I nuovi materiali polimerici saranno valutati in vitro in termini di biocompatibilità, uptake cellulare e proprietà antitumorali su cellule di osteosarcoma. Le performance biologiche saranno inoltre valutate in un modello 3D nanostrutturato più predittivo che ricapitola in dettaglio la complessità del tessuto tumorale in vivo, riduce i limiti dei sistemi standard di coltura 2D in vitro, migliorando la predittività degli studi preclinici e la loro traslazione clinica.

Il progetto si allinea con le strategie di sviluppo della nanomedicina dell’Unione Europea e con le traiettorie definite nel PNR 2021-2027, sezione “Salute” (Tecnologie per la salute); sarà realizzato da 2 unità di ricerca (UNIME e CNR-ISSMC Faenza) che hanno già costituito una rete consolidata di collaborazione nazionale e internazionale, unendo competenze complementari e intersettoriali, su tematiche affini al progetto FINE.

Description of the project, aims and expected results

FINE project aims to synthesize new amphiphilic fluorinated polymers with the aim to develop novel drug nanocarriers with diagnostic and therapeutic properties for osteosarcoma management. Suitable polymers will be prepared exploiting classical synthetic strategies commonly used in organic chemistry and material functionalization. The characterization of the final product and molecular sub-units in each synthetic step will exploit standard tools dedicated to macromolecules (NMR, SEC, MALDI-ToF). The self-assembly typical of amphiphilic copolymers will drive the nanoformulation and the incorporation of a proper anticancer drug (i.e. Doxorubicin) into the nanoparticle core to develop multifunctional nanosystems with potential for drug delivery and 19F-MRI imaging. The nanosystems will be characterized in terms of colloidal stability, size, morphology, surface charge and drug encapsulation efficiency exploiting common analytical tools and techniques dedicated to nanoscience (DLS, zeta potential, electron microscopy, etc). The novel polymeric material will be evaluated for biocompatibility, cellular uptake and antitumoral properties on osteosarcoma cells differing in phenotype and differentiation grade. Fluorescence of Dox will be exploited for uptake studies to evaluate the cell-material interaction. Moreover, biological performances will be evaluated in a more predictive 3D scaffold-based cancer model, recapitulating more in detail the complexity of the cancer tissue in vivo and reducing the limitation of the standard in vitro 2D culture systems. The project, coherent with trajectory 5.1.4. (Technologies for health) of PNR 2021/2027, will be carried out by 2 research units (UNIME e CNR-ISSMC Faenza) that have already established an international collaboration network on themes related to FINE project.

Advanced analytical characterization and synergic evaluation of volatile terpenes of selected ß-caryophyllene containing spices for diabetes treatment

Responsabile SCIARRONE Danilo (PI)

Dipartimento SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Codice: 2022359CZA_001 - CUP: J53D23007300006

Contributo MUR: € 94.539,00 - Importo Totale: € 115.014,00

Sottosettore ERC – PE4

Descrizione del progetto, delle finalità e dei risultati attesi

Il progetto si concentra sull'uso di tecniche analitiche avanzate per la caratterizzazione e la valutazione sinergica di terpeni volatili in spezie, contenenti β-cariofillene, per il trattamento del diabete. Le diagnosi di diabete sono in costante aumento in tutto il mondo e si stima che si raggiungeranno oltre 300 milioni di casi entro il 2030. Nonostante i significativi progressi compiuti con l’uso di agenti antidiabetici orali, i trattamenti attuali non sono perfetti e la ricerca di alternative è più importante che mai. Studi recenti hanno dimostrato che alcune spezie sono attive nel ridurre gli alti livelli di glucosio nel sangue e il β-cariofillene (BCP) sembra essere tra i composti più promettenti. In questo progetto, verranno studiati i costituenti terpenici volatili di cinque spezie contenenti BCP.

La parte analitica consisterà nell'estrazione, caratterizzazione e successivo frazionamento degli estratti delle spezie. Questi saranno sottoposti a saggi biologici, con l'obiettivo di indagare le attività antidiabetiche e di definirne i meccanismi sfruttando saggi acellulari e cellulari in vitro.

Gli oli essenziali saranno analizzati e caratterizzati mediante analisi GC-MS, GC-FID ed enantio-GC-FID. Verrà utilizzato un prototipo preparativo di GC multidimensionale (MDGC-prep). Verranno isolati non solo i singoli componenti, ma anche intere famiglie di interesse. Infine, i campioni verranno nuovamente sottoposti a test biologici per evidenziare effetti terapeutici sinergici tra i diversi componenti in base alle caratteristiche composizioni terpeniche quali/quantitative. Tali prove getteranno le basi per la progettazione di formulazioni nutraceutiche da testare ulteriormente per sviluppi futuri.

I risultati apriranno nuove prospettive nel trattamento antidiabetico.

Description of the project, aims and expected results

The project focuses on the use of advanced analytical techniques for the characterization and synergic evaluation of volatile terpenes of selected β-caryophyllene-containing spices for diabetes treatment. Diabetes prevalence is steadily increasing worldwide, estimated to reach over 300 million cases by 2030. Despite the significant progress made using oral anti-diabetic agents, current treatments are far from perfect and the search for novel alternatives is more important than ever. Recent studies have shown that some spices and herbs are active in reducing high blood glucose, and β-caryophyllene (BCP) appears to be among the most promising compounds contained in those spices. In this project, the volatile terpene constituents of five BCP-containing spices will be studied.

The analytical part will consist of extraction, characterization, and subsequently fractionation of the spice extracts. These will be subjected to biological assays, aiming to investigate the anti-diabetic activities and to define the mechanisms exploiting in vitro acellular and cellular assays.

The essential oils will be analyzed and characterized by GC-MS analysis, GC-FID, and enantio-GC-FID. A preparative GC prototype based on multidimensional GC will be exploited (MDGC-prep). Not only single components but also oil sub-fractions will be isolated. Finally, the samples will be subjected again to biological tests to highlight synergic therapeutic effects between different components based on characteristic quali/quantitative terpene compositions. Such evidence will lay the basis for the design of nutraceutical formulations to be tested further for future developments.

The results will be able to raise spice products to new perspectives in anti-diabetic treatment.

Green SENSing systems based on Bacterial Cellulose (SENS-BC)

Responsabile XIBILIA Maria Gabriella

Dipartimento INGEGNERIA

Codice: 2022HSYJEF_002 - CUP: J53D23003460006

Contributo MUR: € 62.245,00 - Importo Totale: € 97.256,00

Sottosettore ERC – PE11

Abstract Eng

New ecologies such as IoT, Industry 4.0, and precise agriculture will characterize the economic development in next decades. Sensors can give a relevant contribution to the sustainable implementation of such ecologies, enabling the acquisition of data required for efficient exploitation of energy and raw materials, contributing to carbon neutrality and environmental impact reduction. Silicon-based electronics cannot cope with the realization of green sensing systems, which will better fit the European Green Deal.

Bacterial Cellulose (BC) is a biodegradable bio-polymer, produced by bacteria, with a low-energy consuming fabrication procedure that does not require any non-renewable or rare material. BC-based composites have excellent mechano-electrical transduction properties.

The project investigates BC as an enabling material for the realization of transducers and conditioning electronics. BC-based mechano-electrical transducers, organic electronics on BC, and corresponding fabrication procedures, and design tools will be developed. Mathematical models for the description of both transducers and electronics will be derived.

The goal of the UNIME research unit consists in developing mathematical models for BC-based mechano-electrical transducer. It will be modelled as a function of manufacturing parameters and environmental conditions using both data-driven methods and first-principle finite-element models, which are fundamental for explaining the sensing mechanism and the dependence on the production process, on the geometrical properties of the devices, and on the external conditions.

The expected results of the project can be summarized in three main activities:

identification of the most reliable fabrication procedure of green mechano-electrical transducers;
fabrication of green electronics components;
characterization and modeling of transducers and electronics.

Abstract Ita

Nuove ecologie come l'IoT, l'Industria 4.0 e l'agricoltura di precisione caratterizzeranno lo sviluppo economico nei prossimi decenni. I sensori possono dare un contributo rilevante per un’implementazione sostenibile, consentendo l'acquisizione dei dati necessari per sfruttare in modo efficiente l'energia e le materie prime, contribuendo alla riduzione dell'impatto ambientale. L'elettronica a base di silicio non riesce ad affrontare la realizzazione di sistemi di rilevamento ecologici adatti al Green Deal europeo.

La cellulosa batterica (BC) è un bio-polimero biodegradabile, prodotto da batteri, con una procedura di fabbricazione a basso consumo energetico che non richiede materiali non rinnovabili o rari. I compositi a base di BC hanno eccellenti proprietà di transduzione meccano-elettrica.

Il progetto verte sull'uso della BC come materiale abilitante per la realizzazione di trasduttori e dell'elettronica di condizionamento. Verranno sviluppati trasduttori meccano-elettrici a base di BC, elettronica organica, e le corrispondenti procedure di fabbricazione e strumenti di progettazione. Saranno derivati modelli matematici per la descrizione sia dei trasduttori che dell'elettronica.

L'obiettivo dell'unità di ricerca dell'UNIME consiste nello sviluppo di modelli matematici per trasduttori meccano-elettrici a base di BC. Saranno modellati in funzione dei parametri di fabbricazione e ambientali utilizzando sia metodi basati sui dati che modelli agli elementi finiti, utili per spiegare il meccanismo di funzionamento e la dipendenza dal processo di produzione, dalle proprietà geometriche dei dispositivi e dalle condizioni esterne.

I risultati attesi del progetto sono:

identificazione della procedura di fabbricazione più affidabile per i trasduttori meccano-elettrici ecologici;
fabbricazione di componenti elettronici ecologici;
caratterizzazione e modellazione di trasduttori ed elettronica

PRIN 2022 PE - Phisics Science Chemical and Engeneering

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