La ricerca chimico-fisica a Bari si muove lungo quattro direttrici prioritarie che l’Istituto intende sviluppare per le tecnologie future al servizio del bene comune.
Biosensoristica • Chimica verde • Fotonica • Nanomedicina
L’Istituto
L’Istituto per i Processi Chimico-Fisici (IPCF) del Consiglio Nazionale delle Ricerche nasce nel 2000. Oggi la sede di Bari può contare sulle competenze di chimici, fisici, biologi, biotecnologi, scienziati dei materiali, beneficiando di una stretta e storica collaborazione con il Dipartimento di Chimica dell’Università di Bari.
Le attività di ricerca – finanziate principalmente attraverso progetti competitivi della Comunità europea, del Ministero dell’Università e della Regione Puglia, e attraverso collaborazioni con aziende del territorio pugliese o multinazionali – sono focalizzate nella progettazione e produzione di materiali e nanostrutture (sia organici sia inorganici), nella chimica verde e nell’economia circolare, nel risanamento ambientale, nella nanomedicina e biosensoristica, nella produzione di energia da fonti rinnovabili e nella fotonica.
La ricerca ha dato luogo a centinaia di pubblicazioni scientifiche e a numerosi brevetti. L’Istituto è fortemente impegnato nella comunicazione e nella divulgazione attraverso iniziative scolastiche o rivolte al grande pubblico, articoli su giornali e riviste e sui propri canali social.
Quantum Dots di seleniuro di cadmio in supercristalli.
L’attenzione all’ambiente in cui viviamo
Ispirandosi alla fotosintesi – il meccanismo biologico con cui la natura trasforma la luce in energia – l’IPCF sviluppa soluzioni brevettate per affrontare le grandi sfide ambientali, dalla scarsità d’acqua alla dipendenza dalle fonti fossili, fino alla bonifica dai metalli pesanti. Il cuore di questa ricerca è l’economia circolare: utilizzando scarti alimentari come bucce di kiwi o sansa di olive, il gruppo di ricerca ha messo a punto processi innovativi per depurare le acque reflue da inquinanti e coloranti, riuscendo persino a recuperarli per nuovi cicli produttivi [1]. Seguendo i princìpi della chimica verde, gli scarti agroalimentari vengono trasformati in materiali ecocompatibili, riducendo i rifiuti in discarica. Da qui nascono imballaggi intelligenti per il cibo e applicazioni biomediche all’avanguardia, come pellicole antimicrobiche per la cura delle piaghe da decubito.
Processi fotocatalitici per la depurazione di acque e superfici autopulenti
Sfruttando la luce del Sole e le proprietà delle nanoparticelle di biossido di titanio, la fotocatalisi permette di generare molecole altamente reattive capaci di distruggere gli inquinanti organici. Questa tecnologia “pulisce” letteralmente aria, acqua e superfici, eliminando pesticidi, farmaci e coloranti. Grazie a queste ricerche, l’IPCF ha collaborato con aziende ed enti pubblici allo sviluppo di impianti sperimentali per il trattamento delle acque reflue e sistemi per abbattere i gas tossici dei motori diesel, brevettando al contempo tecniche di produzione delle nanoparticelle a basso impatto ambientale. Le potenzialità del biossido di titanio si estendono anche alla tutela dei beni culturali contro lo smog e l’annerimento atmosferico. I ricercatori hanno infatti formulato una sorta di “vernice invisibile” che, applicata a pennello o aerografo, crea uno scudo autopulente attivato dal Sole. Questa tecnologia è stata già testata con successo sulla pietra del barocco leccese e sul monumentale sarcofago di Sparano da Bari nella Basilica di San Nicola, in una prestigiosa collaborazione che ha unito l’Università di Bari e la Soprintendenza Archeologia, Belle Arti e Paesaggio.
Inattivazione di microrganismi patogeni
Le potenzialità della tecnologia fotocatalitica si estendono con successo anche all’inattivazione di virus e microrganismi patogeni. Durante l’emergenza sanitaria, i ricercatori dell’IPCF hanno collaborato con l’Università di Bari e altri istituti del CNR (IRSA e ITM) per contrastare il SARS-CoV-2 su superfici e acque reflue urbane [2]. Questo sforzo sinergico ha portato alla realizzazione di un sistema di filtrazione prototipale capace di unire due funzioni cruciali: il monitoraggio preventivo, per tracciare la presenza del virus e segnalare tempestivamente potenziali focolai, e l’abbattimento attivo, per ridurre la carica virale e limitare la diffusione del contagio. La validità di questo approccio non si limita al Coronavirus: la tecnologia si sta dimostrando altrettanto efficace nel rimuovere da acque e superfici numerosi altri patogeni, tra cui Escherichia coli, Candida albicans e Bacillus cereus.
Sensoristica
L’IPCF sviluppa materiali nanostrutturati integrati in sensori miniaturizzati per scovare inquinanti e ioni nelle nostre acque. Perché proprio i nanomateriali? Grazie a un’area superficiale elevata e a una reattività chimica personalizzabile, questi dispositivi sono ultraselettivi e intercettano contaminanti anche a concentrazioni bassissime. Il traguardo? Creare piattaforme portatili e a basso consumo per un controllo in tempo reale, diffuso e sostenibile dell’inquinamento nei nostri territori.
La nanoscienza che illumina il futuro: nanoparticelle per la fotonica
L’IPCF si occupa della sintesi e dello studio delle proprietà ottiche di una speciale classe di materiali avanzati denominati Quantum Dots (punti quantici), particelle di semiconduttore o di perovskiti di dimensioni inferiori ai 10 nanometri (un miliardesimo di metro), che possono essere preparate e disperse in soluzione tramite procedure chimiche. Ciò che rende speciali i Quantum Dots è il loro comportamento quando vengono illuminati: riescono a emettere luce intensa e brillante di colore diverso a seconda della loro dimensione o forma. La scoperta e lo sviluppo dei Quantum Dots sono stati così rilevanti da meritare il premio Nobel per la Chimica nel 2023, riconoscendo il valore di questi nanomateriali. I Quantum Dots sono, infatti, già presenti nella tecnologia che utilizziamo quotidianamente – schermi ultrabrillanti e LED efficienti – con potenziali applicazioni in celle solari di nuova generazione e in dispositivi elettronici flessibili; potrebbero presto rivoluzionare anche i computer quantistici.
Nei laboratori dell’IPCF si preparano Quantum Dots “su misura”, variando composizione e dimensioni per studiare le proprietà e le interazioni per potenziali applicazioni in fotonica e optoelettronica. Le nanoparticelle luminescenti sono state, ad esempio, incorporate in plastiche e resine, mantenendo la loro intensa emissione per creare microstrutture con tecniche litografiche. Inoltre, sono state realizzate sorgenti di luce bianca combinando i Quantum Dots con molecole organiche; più recentemente, le nanoparticelle sono state organizzate in affascinanti strutture tridimensionali come macrocristalli, dove l’impacchettamento determina proprietà ottiche collettive [3].
Versatilità in formato nano
L’Istituto sta anche esplorando una classe emergente di nanoparticelle luminescenti chiamate Carbon Dots. Si tratta di materiali delle dimensioni di pochi nanometri a base di carbonio, che possono essere prodotti con tecniche di laboratorio piuttosto semplici e che offrono intensa emissione di luce nel visibile insieme ad altri vantaggi (biocompatibilità, scarsa tossicità, solubilità in acqua). Queste proprietà li rendono molto promettenti per applicazioni in campo medico, nella creazione di sensori e nell’elettronica. Per questo, la ricerca nei laboratori IPCF è orientata alla fabbricazione di convertitori di luce basati su Carbon Dots, allo sviluppo di sensori di pH leggibili con un normale smartphone e alla realizzazione di nanoparticelle con emissione laser nel rosso. Infine, grazie alla loro biocompatibilità, queste nanoparticelle luminescenti possono essere utilizzate come marcatori luminosi per visualizzare e tracciare cellule e tessuti tumorali, aprendo nuove strade nella diagnosi e nel trattamento del cancro.
Interazione cellula tumorale-nanovettore: rappresentazione schematica (a destra) e ottenuta con microscopio elettronico a scansione (a sinistra).
Energia e sostenibilità: l’idrogeno, il nuovo vettore energetico
Sostituire i combustibili fossili con fonti rinnovabili e pulite è ormai una necessità urgente. In questo scenario l’idrogeno rappresenta una svolta promettente: è un gas che, quando brucia, produce come unico scarto il vapore acqueo, rivelandosi ideale per alimentare auto, riscaldamento e industrie. Tuttavia, l’idrogeno non si trova in natura allo stato puro; è un vettore che va prodotto e immagazzinato, e il suo vero impatto ambientale dipende da come lo si ottiene. Oggi la maggior parte dell’idrogeno è “grigio”, cioè estratto da fonti fossili con forti emissioni di anidride carbonica. La vera rivoluzione è l’idrogeno “verde”, ottenuto scindendo l’acqua grazie all’energia del Sole o del vento. Ma si può fare di più: i ricercatori riescono a produrre un idrogeno “verdissimo” affidandosi a microrganismi fotosintetici che, nutrendosi di scarti alimentari o acque reflue e catturando la luce solare, generano energia pulita a impatto zero. Questa transizione apre prospettive cruciali anche per l’industria siderurgica, pilastro economico e sociale della nostra regione. Per renderla realtà, gli scienziati lavorano su ogni anello della catena: dalla produzione al trasporto. In prima linea, i laboratori baresi sviluppano tecnologie con catalizzatori centomila volte più piccoli di un capello, capaci di imitare la natura per trasformare acqua, luce e scarti in energia pura.
Energia dai batteri: ritorno al futuro
L’IPCF usa i batteri fotosintetici, microrganismi in grado di trasformare la luce solare in energia, per applicazioni in campo energetico. L’Istituto guarda con attenzione allo sviluppo dei pannelli fotovoltaici, la cui tecnologia è ispirata proprio a questi batteri, e cerca di costruire sistemi simili ma basati proprio su questi microrganismi. Questa tecnologia è chiamata “biofotovoltaico”, e riesce a produrre corrente elettrica illuminando delle colture batteriche. Sia chiaro, non si alimenta un’autovettura, non ancora, ma la pila di Volta scoperta nel 1799 – all’inizio – serviva solo a studiare i muscoli delle rane.
Verso le terapie di domani: la medicina diventa nano
Nel futuro potrebbe giocarsi tutto su una scala invisibile, quella del miliardesimo di metro. È qui che subentra la nanomedicina, un campo in rapidissima evoluzione che promette terapie mirate, efficaci e meno invasive di quelle tradizionali. Perché il piccolo conta così tanto? Un nanofarmaco si disperde facilmente nei fluidi corporei e viene inglobato con maggiore precisione dalle cellule malate, arrivando esattamente dove serve. La natura ci offre esempi potenti: i virus, vere nanoparticelle viventi capaci di condizionare intere specie, o le vescicole extracellulari, minuscole navette con cui le cellule comunicano scambiandosi proteine, lipidi e acidi nucleici. Queste vescicole non sono solo messaggeri: possono rivelare la presenza di malattie (come tumori o Alzheimer) e diventare, in futuro, veicoli naturali per farmaci intelligenti. Comprenderne il linguaggio segreto significa aprire la strada a diagnosi precoci e terapie innovative [4].
In questo scenario, l’IPCF lavora per sviluppare nuove formulazioni terapeutiche alla nanoscala. Formulazioni sintetiche – a base di lipidi, polimeri o silice mesoporosa, materiali biocompatibili e biodegradabili – o da vescicole extracellulari. Queste ultime sono studiate come biomarcatori di malattie gastrointestinali e come veicoli naturali per farmaci, cercando di farle diventare autentici alleati della medicina. L’obiettivo è chiaro: colpire le cellule malate riducendo al minimo il contatto con quelle sane, superando così i noti limiti delle terapie tradizionali. In alcuni casi le formulazioni vengono potenziate con particolari nanoparticelle capaci di sfruttare le radiazioni luminose – nanoparticelle fotoattive – o nanoparticelle magnetiche, in grado di distruggere le cellule tumorali o di operare come agenti per la registrazione di immagini diagnostiche.
All’IPCF di Bari prendono forma anche nanosensori e dispositivi sensoristici miniaturizzati idonei a rivelare biomarcatori specifici di malattie per fornire diagnosi rapide e precise. Tecnologie che apriranno la strada a strumenti capaci di rilevare malattie in fase precoce, monitorare l’efficacia dei trattamenti e intervenire tempestivamente quando necessario, come nel caso di infezioni.
Una sfida cruciale riguarda le malattie neurodegenerative: combinando lo studio delle vescicole extracellulari con tecniche di sensoristica avanzata, l’IPCF sta sviluppando sistemi innovativi per l’Alzheimer, in grado di analizzare poche gocce di sangue e fornire informazioni preziose sullo stato di salute del cervello [5]. Grazie a un dispositivo compatto e facile da usare, che unisce sinergicamente test immunologici e tecnologia laser sarà possibile analizzare in tempi rapidi il sangue o altri fluidi corporei. Un approccio rapido e non invasivo che faciliterà la diagnosi precoce e il monitoraggio delle terapie e potrebbe adattarsi anche a patologie diverse, grazie a dispositivi diagnostici economici che saranno accessibili a tutti. Una rivoluzione invisibile, che lavora nel minuscolo ma ha il potere di cambiare radicalmente il nostro modo di curarci.
L’impegno per il domani
Tutti i ricercatori dell’Istituto hanno una visione del futuro molto chiara. Per accrescere il sapere, attraversare l’oggi e raggiungere le soluzioni tecnologiche del domani è necessario impegnarsi su più fronti. Quattro sono i fili che collegano le attività dell’IPCF: la formazione degli studenti di oggi per farne i ricercatori di domani; la raccolta di finanziamento per sostenere la ricerca ed essere sempre all’avanguardia; la comunicazione fra pari per arricchire il sapere con le nostre pubblicazioni scientifiche; e, infine, la comunicazione verso il grande pubblico, destinatario dello sviluppo delle ricerche ma anche finanziatore.
Riferimenti bibliografici
[1] “Scarti e rifiuti come risorse. L’economia virtuosa”, La Gazzetta del Mezzogiorno, 5 aprile 2024.
[2] “Dalla luce al Covid all’ambiente è questione di una nanoparticella”, La Gazzetta del Mezzogiorno, 18 giugno 2022.
[3] M. Striccoli, “L’intrigante mondo dei quantum dot”, Sapere, 2, 2024.
[4] “Frontiere della nanomedicina: ecco l’alleanza tra CNR, Uniba, de Bellis”, La Gazzetta del Mezzogiorno, 1° novembre 2024.
[5] “I marcatori della demenza in poche gocce di sangue”, La Gazzetta del Mezzogiorno, 9 ottobre 2024.
