Dalla cattura della CO₂ allo sviluppo di materiali innovativi per energia e ambiente, la ricerca sui materiali avanzati è oggi al centro delle strategie per la transizione ecologica. Comprendere a fondo la struttura e la chimica dei materiali è un passaggio fondamentale per migliorarne prestazioni, efficienza e sostenibilità.
È in questo contesto che si inserisce il recente potenziamento tecnologico del CNR-STEMS di Napoli, che ha introdotto due nuove piattaforme di caratterizzazione avanzata: un sistema XPS Physical Electronics e un microscopio elettronico a scansione FEG SEM Tescan Clara, acquistate da Assing, che he ha curato anche l’installazione.
Abbiamo approfondito con le ricercatrici Michela Alfè e Valentina Gargiulo come queste tecnologie permettano di osservare e interpretare i materiali con un livello di dettaglio senza precedenti, contribuendo ad accelerare lo sviluppo di soluzioni concrete per l’energia, l’ambiente e l’industria.
- Dott.sse Alfè e Gargiulo, quali sono le principali attività di ricerca del CNR STEMS di Napoli e su quali ambiti scientifici siete oggi maggiormente attive?
Le attività di ricerca del CNR‑STEMS di Napoli si concentrano su un insieme integrato di temi che riguardano energia, mobilità sostenibile e transizione ecologica, affrontati con un approccio sistemico e multidisciplinare. Questi temi intersecano lo sviluppo di materiali avanzati per applicazioni energetiche e ambientali, ambito in cui siamo maggiormente attive. Il nostro lavoro è focalizzato sulla progettazione e caratterizzazione di materiali avanzati per applicazioni strategiche, tra cui la cattura della CO₂, la sensoristica e i processi di purificazione delle acque.
2. Il vostro laboratorio si occupa di materiali avanzati e tecnologie per l’energia, l’ambiente e l’industria. Quali sono oggi le sfide scientifiche più rilevanti su cui state lavorando?
Le sfide più rilevanti su cui stiamo lavorando riguardano tre fronti intrecciati: decarbonizzazione, circolarità dei materiali e riduzione del consumo di risorse primarie. Sono ambiti diversi ma convergono tutti verso un obiettivo comune: rendere i sistemi energetici e industriali più sostenibili, efficienti e sicuri. Le nostre attività includono lo sviluppo di materiali ad alte prestazioni per la cattura e il riutilizzo della CO₂, stabili e a basso costo che rendano la decarbonizzazione realmente scalabile. Ci stiamo anche concentrando sullo sviluppo di materiali funzionali riciclabili o bio‑ispirati che durino di più, consumino meno risorse e possano essere recuperati a fine vita. Tra questi anche i metal-organic-framework (MOF), particolarmente promettenti perché permettono di modulare in modo fine la struttura porosa e la chimica superficiale, aprendo la strada a processi più selettivi e meno energivori.
Sono sfide scientifiche, ma anche strategiche: riguardano la competitività industriale, la sicurezza energetica e la capacità di rispondere alla crisi climatica con soluzioni concrete e misurabili. Il nostro laboratorio lavora proprio all’intersezione tra ricerca fondamentale e applicazioni reali, in collaborazione con industria, enti pubblici e reti europee.
3. Negli ultimi mesi il laboratorio si è arricchito di due nuove piattaforme installate da Assing: il FEG SEM Tescan Clara e il sistema XPS Physical Electronics. Quali esigenze scientifiche vi hanno portato a investire in queste tecnologie?
L’investimento nel FEG‑SEM Tescan Clara e nel sistema XPS Physical Electronics nasce dall’esigenza di affrontare in modo più avanzato e completo le sfide scientifiche che caratterizzano oggi la ricerca sui materiali per energia, ambiente e industria. Entrambe le piattaforme rispondono a un bisogno comune: capire cosa accade davvero sulla superficie e nella microstruttura dei materiali, dove si giocano le prestazioni funzionali. Queste tecniche analitiche offrono una versatilità elevata, permettendoci di ottenere una caratterizzazione estremamente precisa e ad alta risoluzione, sia dal punto di vista composizionale sia morfologico‑strutturale, dei materiali che sviluppiamo e testiamo.
4. Dott.ssa Alfè, partiamo dal sistema XPS: per quali tipologie di studi e materiali intendete utilizzarlo principalmente?
Il sistema XPS è uno strumento chiave soprattutto per studiare la chimica superficiale dei materiali su cui lavoriamo, in particolare quelli legati alla decarbonizzazione, ai MOF e alle tecnologie energetiche. E’ un sistema che ci permette di analizzare composizione elementare, stati di ossidazione e funzionalità chimiche presenti nei primi nanometri della superficie. È un’informazione cruciale perché molte delle applicazioni su cui lavoriamo dipendono proprio da ciò che accade sulla superficie del materiale.
5. Quali informazioni vi permette di ottenere l’analisi XPS che con altre tecniche sarebbe più difficile o impossibile ricavare?
L’XPS permette di ottenere informazioni sulla chimica superficiale che altre tecniche non riescono a fornire con la stessa precisione. È una tecnica unica proprio perché combina selettività chimica e sensibilità superficiale. Informazioni strategiche difficili da ottenere con altre tecniche sono ad esempio la possibilità di distinguere specie chimiche molto simili (es. carbonati, carbossilati, ossidi), monitorare modifiche superficiali dopo trattamenti o cicli operativi, anche quando le proprietà generali dei materiali appaiono invariate, studiare interfacce nascoste in profondità tramite sputtering controllato, ottenendo profili di profondità chimici, rilevare contaminazioni della superficie.
6. Quanto è importante, nelle vostre attività, poter analizzare la chimica superficiale dei materiali su scala nanometrica?
In generale, l’XPS è importante per supportare tutte le attività in cui la superficie governa il comportamento del materiale, in special modo i fenomeni di adsorbimento. È uno strumento che ci permette di collegare fenomeni microscopici a prestazioni macroscopiche, accelerando lo sviluppo di materiali più efficienti e sostenibili.
7. Dott.ssa Gargiulo, passando al FEG SEM Tescan Clara: quali sono le principali applicazioni che prevedete per questo strumento all’interno delle vostre linee di ricerca?
Il FEG SEM Tescan Clara sarà impiegato per la caratterizzazione morfologica e microstrutturale ad alta risoluzione dei materiali avanzati che sviluppiamo, integrando queste informazioni con la microanalisi elementale superficiale. In pratica, ci permette di osservare come sono fatti i materiali nei loro dettagli più fini e di collegare queste caratteristiche alle loro prestazioni funzionali.
8. Dal punto di vista sperimentale, quali vantaggi offre uno strumento UHR FE-SEM come Clara in termini di risoluzione, qualità dell’immagine e versatilità di analisi?
Il microscopio UHR FE-SEM permette di ottenere immagini estremamente dettagliate, con una risoluzione e una stabilità del fascio che rendono possibile l’osservazione anche di materiali molto delicati senza danneggiarli. Questo si traduce in una capacità reale di analizzare un campione da più prospettive (morfologica, strutturale e composizionale) con un livello di definizione che le tecniche precedenti non consentivano.
9. Che tipo di campioni o materiali pensate di studiare con maggiore frequenza utilizzando questo sistema?
Il sistema verrà utilizzato soprattutto per materiali avanzati e complessi, in cui la morfologia fine, la microstruttura e la distribuzione degli elementi giocano un ruolo determinante nelle prestazioni. I campioni che analizzeremo più frequentemente rientrano in alcune categorie chiave delle linee di ricerca dell’Istituto e sono metal organic frameworks e loro ibridi con ossidi metallici o particelle metalliche o materiali grafenici, materiali ibridi organico/inorganico, film sottili a base grafenica, materiali derivanti dalla valorizzazione di biomasse di scarto, ossidi metallici dopati con metalli.
10. Pensate che queste nuove strumentazioni possano aprire nuove linee di ricerca?
Le due nuove strumentazioni ci offrono un vantaggio concreto perché ci permettono di seguire l’evoluzione dei materiali lungo tutto il loro ciclo di utilizzo e, allo stesso tempo, di esplorare nuove possibili applicazioni grazie a una comprensione più profonda delle loro proprietà. Grazie alla combinazione di SEM e XPS possiamo analizzare un materiale prima e dopo l’impiego in una specifica applicazione, osservandolo da prospettive complementari (morfologica, composizionale e strutturale) e monitorando con precisione eventuali trasformazioni indotte dall’utilizzo. Questa capacità è cruciale: dopo ogni test funzionale possiamo verificare l’integrità del materiale, individuare modifiche superficiali o microstrutturali che ne influenzano le prestazioni e comprenderne le cause. Quando emergono cambiamenti indesiderati, abbiamo gli strumenti per intervenire in modo mirato, ad esempio ottimizzando composizione e struttura oppure adattando le condizioni operative. In questo modo acceleriamo il ciclo sviluppo–test–ottimizzazione e aumentiamo l’affidabilità delle soluzioni che proponiamo.
Un altro importante aspetto è la possibilità di rafforzare la capacità del laboratorio e dell’Istituto di operare come hub di materiali avanzati. L’acquisizione di queste piattaforme risponde anche all’esigenza strategica di aumentare l’autonomia sperimentale dell’Istituto, di attrarre collaborazioni nazionali ed europee, e, non ultimo, di supportare progetti industriali che richiedono caratterizzazioni avanzate.