Articolazione Regionale - Consiglio Nazionale delle Ricerche · OPERA DEL VOCABOLARIO ITALIANO...

DCSPI Programmazione Operativa

Articolazione

Regionale delle attività del CNR

2009

Consiglio Nazionale delle Ricerche

DCSPI Programmazione Operativa

REGIONE

TOSCANA Istituti esecutori di attività svolte nella Regione Toscana: BIOFISICA (SEDE DI PISA)

BIOMETEOROLOGIA (SEDE DI FIRENZE) FISIOLOGIA CLINICA (SEDE DI PISA) GENETICA VEGETALE (SEDE DI FIRENZE) GEOSCIENZE E GEORISORSE (SEDE DI PISA) INFORMATICA E TELEMATICA (SEDE DI PISA) ISTITUTO DI DIRITTO AGRARIO INTERNAZIONALE E COMPARATO (SEDE DI FIRENZE)

LINGUISTICA COMPUTAZIONALE (SEDE DI PISA)

NEUROSCIENZE (SEDE DI PISA) OPERA DEL VOCABOLARIO ITALIANO (SEDE DI FIRENZE)

PROCESSI CHIMICO-FISICI (SEDE DI PISA) SCIENZA E TECNOLOGIE DELL'INFORMAZIONE "Alessandro Faedo" (SEDE DI PISA) ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA DELLA MATERIA (SEDE DI FIRENZE ECRS NEST - LR POLYLAB–PISA)

STUDIO DEGLI ECOSISTEMI (SEDE DI PISA)

TEORIA E TECNICHE DELL' INFORMAZIONE GIURIDICA (SEDE DI FIRENZE)

Provincia di Firenze

Conservazione della biodiversità: Specie arboree da frutto Dati generali

Progetto: Risorse biologiche e tutela dell'agroecosistema Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: ANTONIO CIMATO Temi

Tematiche di ricerca Individuare e conoscere (distinzione genetica, descrizione morfologica e valutazioni di natura agronomica, fisiologica e metabolica) la biodiversità territoriale di specie arboree da frutto. Implementare la collezione di fruttiferi realizzata dall'Ivalsa a Follonica (GR) e che riunisce, attualmente, 1.723 varietà di pesco, susino, ciliegio, pero, melo, kaki, cotogno e olivo. Mantenere "in sicurezza" la biodiversità in collezione e sviluppare sistemi informatici che descrivono e distinguono le accessioni. Caratterizzare varietà autoctone della Toscana di pesco e di ciliegio per l'elevato contenuto nei frutti di fenoli e carotenoidi; valutare l'attività antiossidante di questi composti. Identificare genotipi di olivo con profili di oli particolari per valore nutrizionale e salutistico (elevati valori in acido oleico, polifenoli e tocoferoli). Ottimizzare la metodologia analitica innovativa (spettroscopia - NIR) e la tecnica colorimetrica (nefelometria) che permettono di predire la tipicità merceologica e qualitativa degli oli vergini di oliva e di classificare l'origine territoriale dei prodotti "DOP".

Stato dell'arte Il mantenimento in sicurezza delle collezioni di piante arboree da frutto consente di tutelare il pool genico di 1.723 accessioni: pesco 1055, susino 12, ciliegio 60, kaki 60, cotogno 50 e olivo 216. I campi collezione di Follonica sono annualmente implementati e sono riservati alla conservazione ex situ del germoplasma frutticolo; l'Ivalsa garantisce la disponibilità del materiale vegetale sia per scopi di ricerca sia per la produzione vivaistica. Due sistemi informatici aggiornano la catalogazione del germoplasma mondiale dell'olivo (www.oleadb.it) e l'archivio elettronico dei fruttiferi http://www.ivalsa.cnr.it/. Le conoscenze della biodiversità (distinzione genetica, descrizione morfologica e valutazioni di natura agronomica, fisiologica e metabolica) costituiscono una risorsa di valore genetico, scientifico, ecologico, economico e sociale per rispondere alla gestione del territorio e dell'agroecosistema e alle richieste di attività produttive collegate allo sviluppo rurale. Azioni

Attività da svolgere Sono state condotte le seguenti attività: a) individuare e caratterizzare (distinzione genetica e descrizione morfologica) varietà locali specifiche di territori e ambienti particolari e rappresentative della biodiversità vegetale di specie arboree da frutto, b) implementare con nuove accessioni la collezione del germoplasma frutticolo realizzata dall'Ivalsa presso l'azienda CNR di Follonica (GR), c) coordinare il recupero delle risorse genetiche di olivo autoctone di 5 Paesi del Mediterraneo (progetto RESGEN – CFC/IOOC/03) e della Sicilia Orientale e realizzare campi per la tutela della biodiversità, d) mantenere "in sicurezza" la collezione dell'Ivalsa, e) sviluppare sistemi informatici, collegati anche alle Istituzioni internazionali, per catalogare la biodiversità e rendere condivisibili le conoscenze e la tutela, f) sviluppare sinergie con il territorio potenziando il valore della biodiversità autoctona di olivo con prodotti agro-alimentari di "nicchia", distinguibili ed efficaci sulla salute per gli elevati effetti nutrizionali (acido oleico, polifenoli e tocoferoli). Infine, sono stati convalidati gli studi per verificare che l'applicazione nel settore oleicolo-oleario di metodologie analitiche (spettroscopia - NIR) e di tecniche ottiche colorimetriche innovative (nefelometria), realizzate in collaborazione con l'IFAC di Sesto Fiorentino, sono in grado di predire la tipicità degli oli vergini di oliva (DOP – IGP), di fornire informazioni sui più importanti indicatori di qualità di questo alimento e di classificare (fingerprinting ottico) l'origine territoriale del prodotto.

Punti critici e azioni da svolgere Mantenere le collezioni "in sicurezza", per tutelare la biodiversità di specie arboree da frutto e per rendere tempestivamente disponibile alla comunità scientifica e al mondo della produzione agricola il materiale vegetale, richiede personale ed un adeguato finanziamento. In questo periodo, la gestione dei campi collezione del CNR (sede di Follonica) è affidata ad un tecnologo che non dispone di altro personale. Il punto critico della commessa è rappresentato dai limitati finanziamenti che essa riceve e che creano ulteriori difficoltà operative per garantire la corretta conduzione dei campi (interventi agronomici e controllo costante dello stato sanitario di 1.723 accessioni) e le implementazioni che arricchiscono le collezioni.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Il gruppo di lavoro ha competenze per la gestione, il controllo sanitario e il mantenimento in sicurezza del germoplasma vegetale di piante arboree da frutto. Altre competenze sono riconducibili: alla caratterizzazione e descrizione morfologica delle accessioni, alla distinzione genetica della biodiversità, allo sviluppo di sistemi informatici, che descrivono e distinguono le collezioni di fruttiferi, e all'impiego di tecniche per misurare i profili delle matrici metaboliche legate alla qualità e al valore nutrizionale di prodotti agro-alimentari (composti minori polari, tocoferoli, squalene, fenoli, carotenoidi, zuccheri, ecc.). Le competenze riconosciute al gruppo di lavoro hanno permesso ai ricercatori dell'Ivalsa di coordinare lo sviluppo di progetti internazionali specifici per il settore olivicolo-oleario.

Strumentazione L'Ivalsa dispone della collezione di Follonica rappresentativa della biodiversità delle piante arboree da frutto, inoltre, per le attività della commessa, utilizza due aziende: in provincia di Firenze, per i programmi finalizzati all'identificazione di genotipi di olivo adattabili a condizioni ambientali particolari, e in provincia di Grosseto, dove sono stati riuniti i genotipi selezionati per la qualità alimentare (oli di oliva ad elevati contenuti di acido oleico, tocoferoli e polifenoli). Per la caratterizzazione morfologica, la determinazione dei profili genetici e per le determinazioni analitiche nei laboratori è disponibile la seguente strumentazione: Analizzatore di immagine, PCR, Elettroforesi su sequenziatore capillare, cromatografi liquidi ad alta risoluzione, GC e spettrofotometro UV-visibile.

Tecniche di indagine In collaborazione con ricercatori CNR (IFAC - Sesto Fiorentino) sono sviluppate tecniche ottiche per classificare le caratteristiche merceologiche e per verificare l'origine geografica di oli vergini di oliva. Inoltre, sono implementate metodologie analitiche che dalle misure in spettroscopia di assorbimento (valori estesi dal visibile all'infrarosso: UV – VIS – NIR), è possibile predire importanti indicatori di qualità dell'olio vergine di oliva (acidità, numero di perossido, K232, K270 e Delta K), confermare la rispondenza alla tipicità del prodotto (valori % della frazione acidica) e certificare la specifica provenienza geografica "DOP" (valori di riferimento ai disciplinari di produzione).

Tecnologie Sono utilizzate metodologie analitiche di spettroscopia (estesa dal visibile all'infrarosso: UV – VIS – NIR) e misure con sensori ottici (Nefelometria) per predire indicatori di qualità del prodotto olio vergine di oliva e per convalidare la provenienza geografica. I risultati spettrali degli acidi grassi, riaffermati dalle alte correlazioni alle risposte analitiche condotte con strumentazione tradizionale (GS), per la semplicità e rapidità di misurazione, possono trovare facile trasferimento tecnologico nel settore della produzione olearia (classificazione merceologica e qualitativa). La tecnica della nefelometria, nel range spettrale del visibile, tramite misure ottiche (bande del visibile) di colore e torbidità e l'analisi multivariata, è in grado di creare mappe di classificazione in 2D che evidenziano "clusters" indicativi dell'origine geografica degli oli di oliva.

Collaborazioni (partner e committenti) Le attività sono state realizzate in collaborazione con nove Partner nazionali e cinque internazionali. a. Individuazione, tutela e conoscenza delle risorse biologiche di piante da frutto: Dipt Biologia Ambientale (Uni/SI) e il Dipt, di Scienze Agrarie e Ambientali (Uni/UD). b. Implementazione con nuove accessioni della collezione del germoplasma frutticolo realizzata dall'Ivalsa: Arsia (Regione Toscana). c. Recupero delle risorse genetiche di olivo: Olive Bureau (Idleb - Siria); Institut de l'Olivier (Sfax - Tunisia); I.N.R.A., (Rabat - Marocco); I.T.A.F., (Algeri - Algeria); Horticulture Research Institute (Giza - Egitto). d. Mantenere in sicurezza la collezione dell'Ivalsa: Consorzio Vivaisti Co.Ri.Pr.O, Pescia. e. Sviluppo di sistemi informatici: IGV-CNR. f. Valorizzare l'olio vergine di oliva per profili nutrizionali e salutistici e per caratteristiche significative dell'origine geografica: Istituti del CNR (IFAC – Firenze), del CRA (Olivicoltura/Cosenza), Dipt Produzione Vegetale (Uni-Milano) e Consorzi di Ricerca (Centro Formazione e Sviluppo Agroalimentare della Calabria - Lametia Terme). Cinque soni i committenti alla commessa. Arsia-Regione Toscana: Valorizzazione della Biodiversità di Olivo "Realizzazione di due campi dimostrativi con cultivar "minori" del germoplasma toscano". Assessorato all'Agricoltura della Provincia di Grosseto: Valorizzazione della biodiversità territoriale di olivo. Ente Cassa di Risparmio di Firenze: Conservazione e valorizzazione di frutti autoctoni del paesaggio storico culturale della Toscana. Comune di Chiusi: Valorizzazione della cultivar locale di olivo "Minuta". Nuova M.A.I.P. Macchine Agricole Industriali Pieralisi S.p.A.: Ricerca e Sperimentazione Applicativa & Trasferimento delle Innovazioni tecnologiche agli Operatori della filiera Olivicola/Olearia: Confronto di Tecnologiche di estrazione (DMF e 3 fasi) e verifiche sulle produzioni olearie tra due genotipi toscani.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Per acquisire nuove entrate per il 2009, la commessa ha previsto progetti in convenzione ed ha inserito delle nuove proposte sia a carattere territoriale sia a sviluppo internazionale. La disponibilità e l'unicità delle collezioni dell'Ivalsa agevolano le adesioni ad attività scientifiche per l'individuazione e la conoscenza delle risorse genetiche di specie arboree da frutto. In particolare, tra le convenzioni previste dalla commessa si segnalano: a) recupero e caratterizzazione genetica di olivi autoctoni per la Provincia di Grosseto (convenzione Assessorato all'Agricoltura della Provincia di Grosseto); b) verifica della risposta agronomica e della potenzialità alla produzione di oli monovarietali di "nicchia", distinguibili per gli elevati effetti nutrizionali e salutistici, ed ottenuti dall'impiego, negli

oliveti moderni, di specifici ecotipi della biodiversità toscana (convenzione ARSIA – Regione Toscana). Ulteriori iniziative sono state inserite nella commessa per l'acquisizione di entrate per il 2009: alcune riguardano il trasferimento delle innovazioni tecnologiche agli operatori della filiera olivicola/olearia, altre, sono programmi di ricerca per potenziare il valore della biodiversità autoctona di olivo e per sviluppare sinergie con il territorio. Tra le prime si riportano: c) metodologie analitiche e tecniche ottiche colorimetriche per predire la tipicità del prodotto DOP (Centro per la Formazione e lo Sviluppo Agroalimentare della Calabria - Lametia Terme), d) valorizzare oli monovarietali nella regione di Catamarca (Argentina). Questa seconda iniziativa, riguarda un'attività di coordinamento scientifico da condurre presso il Dipartimento della Salute dell'Università di Catamarca (Argentina). Finanziata per quattro anni dal Common Fund For Commodities (The Netherlands) e dal Governo della Catamarca, l'attività di miglioramento della produzione olearia prevede l'avviamento degli studi nel 2009 con la supervisione del COI (Madrid) e della FAO (Roma). Infine tra i progetti per potenziare il valore della biodiversità autoctona di olivo e per sviluppare sinergie con il territorio, si segnalano due attività: la prima con il Ministero degli Esteri e la seconda con il Consiglio Oleicolo Internazionale. Il Ministero degli Esteri ha già inserito nel III° programma esecutivo dell'Accordo di Cooperazione scientifica e tecnologica tra il Governo della Repubblica italiana ed il Governo della Repubblica di Albania (periodo 2008-2010) il progetto: "Valorizzare l'Olivicoltura della Repubblica di Albania - Risorse genetiche, qualità e sicurezza alimentare degli oli prodotti in Albania". Le attività saranno coordinato da personale Ivalsa e riceveranno finanziamenti specifici sulla base delle proposte di attività annuale. La seconda iniziativa prevede la sottomissione al Consiglio Oleicolo Internazionale (Madrid) di una proposta progettuale dall'Ivalsa per lo sviluppo di strutture vivaistiche in 5 Paesi del Mediterraneo.

Finalità

Obiettivi Individuare e caratterizzare varietà rappresentative della biodiversità di specie arboree da frutto da territori ed ambienti particolari. Implementare annualmente le collezioni dell'Ivalsa riunite nei campi sperimentali di Follonica. Tutelare (ex situ) le biorisorse, verificarne l'identità con la comunità scientifica e renderle disponibili agli agricoltori per produzioni agro-alimentari tipiche e di nicchia. Aggiornare la catalogazione in rete della banca dati dell'Ivalsa. Collaborare con le Istituzioni per sviluppare sistemi informativi sulle risorse genetiche di olivo (www.oleadb.it). Potenziare la valutazione della biodiversità di olivo per aumentare le conoscenze di base, per individuare genotipi dal particolare valore ecologico e produttivo (adattabilità a suoli e ambienti marginali, produzione di oli vergini di oliva con elevati contenuti in acido oleico, polifenoli, tocoferoli) e per poter sviluppare sinergie con il territorio. Ottimizzare sensori ottici (Nefelometria) e metodologie analitiche (spettroscopia di assorbimento estese dal visibile all'infrarosso), di facile trasferimento al settore oleario, per classificare l'origine territoriale e la tipicità degli oli di oliva

Risultati attesi nell'anno Le attività della commessa prevedono di integrare le collezioni della biodiversità di specie arboree da frutto con altre accessioni di ciliegio, melo, pero e olivo di origine autoctona per la Toscana e da altre regioni nelle quali sono in corso ricerche in collaborazione con altre Istituzioni; inoltre, di garantire la conservabilità e il mantenimento in sicurezza delle collezioni presenti nell'azienda Ivalsa-CNR di Follonica. Sarà implementato il sistema informatico (www.oleadb.it) che aggiorna la catalogazione del germoplasma mondiale dell'olivo. La prosecuzione degli studi per caratterizzare e valorizzare la biodiversità autoctona di olivo permetteranno di identificare genotipi i cui frutti sono in grado di fornire oli vergini di oliva di "nicchia", perché distinguibili ed efficaci per gli elevati effetti nutrizionali e salutistici (acido oleico, polifenoli e tocoferoli). Le prove agronomiche sulla validità di queste piante, in particolari ambienti toscani, permetteranno di integrare le scelte varietali per i nuovi impianti e di sviluppare particolari sinergie con il territorio. Le attività del 2009 forniranno la conferma, dell'affidabilità di tecniche ottiche colorimetriche (Nefelometria) e di metodologie analitiche (Spettroscopia - NIR), che è possibile offrire preventivamente, e senza la necessità di analisi chimiche convenzionali, specifiche informazioni sulla regione di origine del prodotto e su importanti indicatori di qualità dell'olio vergine di oliva. Misure dell'attività antiossidante e del contenuto totale in polifenoli e carotenoidi permetteranno di identificare frutti di varietà di pesco e ciliegio, autoctoni della toscana, dagli elevati effetti nutrizionali e salutistici.

Potenziale impiego - per processi produttivi Lo sviluppo delle conoscenze sulla biodiversità territoriale di specie arboree da frutto permette di caratterizzare materiale vegetale autoctono in grado di sviluppare sinergie con il territorio. Il materiale vegetale caratterizzato (valutazioni di natura agronomica, fisiologica, metabolica, funzionale, ecc.) costituisce, difatti, una risorsa sia per gli agricoltori sia per la comunità. Ai primi, perché dalle conoscenze della biodiversità è possibile identificare percorsi di ampliamento delle realtà produttive, percorsi finalizzati all'espansione di prodotti tipici e di nicchia e quindi di poter elevare e diversificare i redditi. Alla comunità, perché l'uso appropriato delle risorse genetiche risponde alla più equilibrata gestione del territorio e dell'agro-ecosistema e anche, più in generale, perché può dare nuove risposte alle richieste di attività collegate allo sviluppo rurale. L'integrazione nel settore oleicolo-oleario di misure ottiche che evidenziano l'origine geografica degli oli vergini d'oliva qualifica il processo di filiera e tutela meglio consumatori e produttori.

- per risposte a bisogni individuali e collettivi La tutela e il mantenimento in sicurezza delle collezioni dell'Ivalsa consentono di rendere disponibili a livello territoriale, nazionale e internazionale 1.723 accessioni rappresentative delle risorse genetiche di pesco, susino, ciliegio, pero, kaki, cotogno e olivo. Lo scambio e la distribuzione del pool genico alla comunità scientifica promuovono attività di miglioramento, di selezione e di distinzione genetica della biodiversità. La disponibilità e le conoscenze delle collezioni garantiscono l'adesione alle richieste di collaborazione con istituzioni nazionali ed internazionali, di partecipare ai programmi di gestione del territorio e di sviluppo rurale e di promuovere progetti finalizzati allo sviluppo di beni e di nuovi prodotti specifici del settore agroalimentare. Moduli

Modulo: Conservazione della biodiversità: Specie arboree da frutto CIMATO Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Salvaguardia e valorizzazione delle specie arboree Dati generali

Progetto: Risorse biologiche e tutela dell'agroecosistema Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: MAURIZIO LAMBARDI Temi

Tematiche di ricerca La Commessa si pone come obiettivo la salvaguardia e la valorizzazione delle specie arboree sia a fini produttivi (frutto, legno, sostanze ad attività biologica), sia per la protezione dell'ambiente. In questo, la Commessa si avvale della lunga tradizione e delle competenze presenti presso l'IVALSA relativamente alla caratterizzazione, propagazione, salvaguardia e valorizzazione delle specie arboree, proponendo un pool di ricerche che possono inquadrarsi nei seguenti settori tematici: raccolta, selezione e caratterizzazione morfo-fisiologica e biomolecolare del germoplasma di specie da frutto, forestali ed ornamentali; miglioramento delle tecniche di propagazione in vivo e allevamento in vivaio; sviluppo di procedure di coltura in vitro, micropropagazione e conservazione in crescita rallentata; applicazione della tecnologia criogena alla conservazione del germoplasma; studio dei meccanismi di risposta di specie Mediterranee a condizioni di stress abiotici; caratterizzazione e valorizzazione di specie arboree e arbustivi a fini produttivi (frutti, legname di qualità, sostanze ad elevata attività bio-farmacologica) e per la preservazione del territorio

Stato dell'arte Le piante arboree e i prodotti che da queste derivano occupano un importante ruolo nel panorama economico italiano e interessano un consistente numero di operatori del comparto agricolo (vivaismo, produzione e lavorazione della frutta) e di quello dell'industria del legno. Ammonta ad oltre 60 milioni la produzione di piante da frutto da vivaismo tradizionale o da micropropagazione (per il 50% di elevato standard qualitativo), alla quale si somma una PLV di 2.5 mil di Euro di piante ornamentali. Nonostante questi importanti dati economici ed occupazionali, la ricerca nel settore della propagazione e della valorizzazione delle specie arboree è caratterizzata da elevata frammentarietà e scarsa reattività al mutare delle richieste che pervengono dal settore pubblico e privato. In tal senso, le biotecnologie e l'applicazione al settore di nuovi strumenti di indagine sperimentale potrebbero determinare una consistente modernizzazione del settore, fornendo procedure più efficienti di propagazione in vivo ed in vitro, tecnologie avanzate di conservazione del germoplasma, proposte per un migliore e più variato sfruttamento delle risorse produttive delle specie arboree. Azioni

Attività da svolgere PROPAGAZIONE IN VIVO E IN VITRO: (i) proseguiranno, pur con le difficoltà evidenziate in fase di Consuntivo 2008, le indagini per l'individuazione di marcatori della rizogenesi in vivo di olivo; inoltre, sarà valutata la capacità di autoradicazione in "mist propagation" di cultivar di olivo autoctone dell'Abruzzo; (ii) proseguirà l'analisi morfologica e molecolare su piante di olivo prodotte in vitro, tramite proliferazione di gemme ascellari ed embriogenesi somatica; si condurranno inoltre analisi per caratterizzare il prodotto trasformato (olio) proveniente dai varianti somaclonali in campo; (iii) lo studio intrapreso sulla coltura liquida per immersione temporanea, alternativa al substrato agarizzato, valuterà l'effetto sulle colture dello scambio gassoso, attraverso la realizzazione di un prototipo sperimentale a "fiasche gemelle ventilate"; (iv) sarà intrapreso un nuovo studio sul dinamismo post-incendio in pinete di Pino d'Aleppo percorse da incendio nell'estate del 2007; in particolare, lo studio intende verificare l'esito della rinnovazione di Pino d'Aleppo, con sgombero e senza sgombero delle piante portaseme. CARATTERIZZAZIONE E SALVAGUARDIA: (i) proseguirà lo studio sulla caratterizzazione morfologica e molecolare in olivo, tentando di derimere, così come per il 'Moraiolò, i problemi legati alle sinonimie e omonimie varietali; un analogo studio sarà avviato per la caratterizzazione di cultivar della regione Abruzzo; (ii) sarà intrapreso uno studio sulla caratterizzazione molecolare di cultivar di castagno, diffuse in tre areali della Toscana; (iii) inizierà una prova di conservazione in crescita rallentata (a 4°C, su substrati diversificati per la componente glucidica) di specie ornamentali, nell'ambito del progetto "VITROFLOR", finanziato dal MiPAF; (iv) proseguiranno gli studi di ottimizzazione della procedura di "crioconservazione di gemme dormienti" di melo e kaki, operando su un numero più ampio di accessioni; in particolare, si tenterà di ottimizzare le fasi di pre-trattamento al freddo e di disidratazione dei segmenti uni-nodali introdotti in crioconservazione. Lo studio sulla conservazione di semi poliembrionici dall'antica collezione di agrumi della 'Villa Medicea di Castellò proseguirà, nell'intento di arricchire la criobanca di nuove accessioni. Infine, sarà intrapreso uno studio sulla crioconservazione di colture cellulari embriogeniche di

Fraxinus excelsior, applicando una tecnica di "slow-cooling" sviluppata presso la Catholic University di Leuven con la quale si collaborerà. VALORIZZAZIONE: (i) si continuerà ad investigare il fenomeno della "cross tolerance" in piante di Ligustrum vulgare sottoposte a stress salino in condizioni di differente irraggiamento solare (ombrggiamento parziale o pieno sole, tagliando o no la radiazione UV). Si condurranno misure sulla biosintesi dei flavonoidi e sul ruolo svolto da xantofille antiossidanti nei meccanismi di risposta ai vari stress ambientali; (ii) proseguiranno le osservazioni sugli impianti sperimentali di olivo e pero, costituiti per la produzione di legno di qualità e la valutazione delle potenzialità delle specie per la "duplice attitudine" (produzione di frutti e legno); (iv) proseguiranno gli studi di xilogenesi, valutando il ruolo degli zuccheri solubili nel differenziamento dei meristemi secondari in diversi cloni di pioppo. L'obiettivo di tale indagine è indagare il ruolo limitante della componente carboidratica solubile nel differenziamento dello xilema. Per raggiungere tale obiettivo, verrà studiata la relazione fra la fenologia della crescita radiale e della formazione dello xilema e il contenuto in carboidrati solubili nella zona cambiale in Populus x euroamericana (clone I-214) e Populus deltoides (clone Dvina). Lo studio prevede il campionamento di porzioni di fusto a cadenza bisettimanale per tutta la durata dell'anno solare in un impianto di 3 anni di pioppo del CRA-ISP di Casale Monferrato, seguito da analisi isto-anatomiche della zona cambiale eseguite presso il Dipartimento TESAF dell'Università degli studi di Padova, in collaborazione con il Départment des Sciences Fondamentales-Universitè du Quebec. Inoltre, proseguirà l'indagine sulla dinamica di crescita intrannuale in P. x euroamericana e P. deltoides, mediante dendrometri ad alta risoluzione, messi a punto attraverso un collaborazione tra CNR-IVALSA e INRA di Orlèans.

Punti critici e azioni da svolgere 1. Si conferma quanto evidenziato negli anni precedenti. Infatti, ancora per il 2009 permarranno le condizioni di difficoltà, già evidenziate negli anni precedenti. Infatti, un programma di così ampio respiro necessita ovviamente di un supporto adeguato in termini di personale, strumentazione e strutture logistiche. Purtroppo l'IVALSA si trova tuttora ad affrontare questa fase di rinnovamento con carenze di personale (per mancanza di turn-over), strumentazione scientifica (per obsolescenza di varie apparecchiature) e infrastrutture (serre e campi sperimentali, in fase di realizzazione). A questo, ancora per il 2009, si tenterà di sopperire con opportune collaborazioni e convenzioni che, pur determinando in generale un positivo sinergismo a beneficio della qualità delle ricerche, nel caso degli studi sulla propagazione in vivo risultano assai penalizzanti. Infatti, il ricorso a strutture private per la conduzione delle prove ne impedisce una costante supervisione e ne aggravia i costi. 2. Fortunatamente, almeno per l'aspetto della propagazione, si prevede di risolvere il problema nel 2009-2010 con il completamento delle infrastrutture relative alla serra di propagazione e dell'annesso capannone polifunzionale. In tal senso, è stata inoltre attivata la collaborazione con il dipartimento Energetica della Facoltà di Ingegneria di Firenze per la realizzazione di manufatti destinati al risparmio energetico nella struttura in progetto. I fondi per la realizzazione sono, per adesso, tutti a carico del bilancio CNR. Si auspica che durante la realizzazione possano pervenire dei contributi da Enti locali. 3. Anche l'Azienda "Santa Paolina" di Follonica, ove si localizzano collezioni e campi sperimentali, risente molto della mancanza di strutture adeguate e macchinari di proprietà CNR, dovendo pertanto spesso ricorrere a ricerche svolte presso le strutture del committente. Presso l'Azienda, si profonderà il massimo impegno per il reperimento di fondi sufficienti a pagare, nelle forme possibili, personale tecnico per la realizzazione delle sperimentazioni, anche attraverso contatti e riunioni volte a preparare un partneriato per tentare la partecipazione a bandi nazionali e europei. 4. Riguardo agli studi innovativi di crioconservazione delle risorse genetiche, l'assenza in Italia di altri gruppi di ricerca dediti a questo settore di indagine, nonchè la mancanza di esempi di criobanche attive (già esistenti in altri Paesi europei ed extra-europei), rende assai più problematica l'attività di sviluppo e di promozione della tecnologia criogena condotta presso l'IVALSA. A questo si cerca di sopperire con numerose collaborazioni con gruppi esteri e con una partecipazione attiva all'Azione COST 871 "Cryopreservation of Crop Species in Europe", per la quale l'IVALSA ha rappresentante nel Management Committee. Inoltre, sfruttando un lungo percorso di collaborazione tra l'IVALSA e il Centro Sperimentale "Po di Tramontana" di Veneto Agricoltura, si stanno gettando le basi per la realizzazione di una "Criobanca del Germoplasma del Veneto", che costituerebbe il primo esempio in Italia di conservazione della biodiversità vegetale con questo approccio innovativo. Un progetto in tal senso è già stato sottoposto alla Direzione della Ricerca e Sperimentazione di Veneto Agricoltura ed è attualmente in attesa di valutazione.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Tra i Ricercatori ed il personale Tecnico partecipante alla Commessa si possono reperire le competenze necessarie per un corretto svolgimento delle ricerche proposte. In particolare, il gruppo di Ricercatori comprende 7 laureati in Scienze Agrarie e un laureato in Chimica, con esperienze scientifiche diverse, ma ben integrantesi, nei settori della propagazione, delle biotecnologie e della fisiologia delle specie arboree. Inoltre, l'IVALSA comprende laboratori (i) di biotecnologie, dotati della strumentazione necessaria per condurre prove sperimentali di coltura e conservazione in vitro, di crioconservazione (mediante vitrificazione) e di analisi gas-cromatografica, (ii) di caratterizzazione bio-molecolare (mediante RAPDs), (iii) di biochimica per l'analisi di metaboliti secondari, (iv) di isto-anatomia per l'osservazione di sezioni semi-fini al microscopio ottico. La strumentazione scientifica ed informatica di cui sono dotati i laboratori garantisce l'applicazione di tecniche di indagine sperimentale di ottimo livello scientifico.

Strumentazione Larga parte delle attività sperimentali della Commessa possono essere efficacemente svolte con risorse strumentali presenti nell'IVALSA. Queste consistono in (i) Biotecnologie e coltura in vitro: 4 cappe a flusso laminare, 2 celle climatiche ad elevata intensità luminosa (fino a 10000 lux), 4 armadi climatici; (ii) Laboratorio di Conservazione In Vitro e Crioconservazione: gas-cromatografo a colonne impaccate per l'analisi di CO2 (TCD) e etilene (FID), 2 armadi climatici per la conservazione in crescita rallentata, dewar per azoto liquido (35 lt) per lo stoccaggio dei campioni in cryovials; (iii) Isto-anatomia e microscopia: Microscopio ottico POLYVAR, Microtomo 2050 SUPERCUT, Criostato FRIGOCUT 2800 con raffreddamento fino a -40°C; (iv) Caratterizzazione biochimica e molecolare: analizzatore di immagine, fluorimetro, spettrofotometro, PCR-thermal cycler, sistemi elettroforetici, SDS-PAGE 2-D-elettroforesi, elettroforesi per acidi nucleici. Inoltre, gli studi di microscopia possono avvalersi della strumentazione del Ce.M.E. dell'Area di Ricerca CNR di Firenze. In tutti gli altri casi, ci si avvale di opportune collaborazioni con altri Istituti CNR o dell'Università.

Tecniche di indagine La valorizzazione delle competenze scientifiche e della strumentazione IVALSA è obiettivo primario di questa Commessa. Tutti i partecipanti, infatti, derivano dall'ex-IPSL, il primo e unico Istituto CNR interamente dedito al miglioramento delle tecniche di propagazione, alla caratterizzazione e alla valorizzazione delle specie arboree. Proprio nell'ex-IPSL, ad esempio, fu realizzato uno dei primi laboratori italiani di coltura in vitro. Questo fa sì che, relativamente agli studi di propagazione e di conservazione in vivo e in vitro, si persegua il connubio tra ricerca di più immediata ricaduta applicativa (miglioramento delle tecniche di propagazione in vivo e di micropropagazione) e ricerca di "medio/lungo termine" (es., markers della rizogenesi, studi di base in sistemi di rigenerazione in vitro, crioconservazione). Anche gli studi di biologia molecolare e fisiologia dello stress si basano su competenze riconosciute a livello nazionale ed internazionale, ma necessitano di collaborazioni per obsolescenza della strumentazione IVALSA. Importanti indagini organolettiche sugli oli d'oliva, infine, combinano competenze di assaggiatori esperti con analisi chimica mediante HPLC e PTR-MS.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Per lo svolgimento delle linee di ricerca costituenti la Commessa, l'IVALSA si avvale di numerose collaborazioni con Università e Istituzioni di ricerca italiane e straniere. Tra quelle che maggiormente interagiscono con le linee di ricerca della Commessa si devono ricordare: Dip. di Biologia delle Piante Agrarie (UNI/PI), Dip. di Ortoflorofrutticoltura (UNI/FI), DISTAF (UNI/FI) e IRNA/Inst. de Recursos Naturales y Agrobiologia (Sevilla, Spagna) per gli studi inerenti la propagazione in vivo e in vitro e i markers della rizogenesi; Dip. SINFIMIZIO (UNI/PA), IAS/Inst. de Agricoltura Sostenible (Cordoba, Spagna) e CNR/CeME per gli studi di isto-anatomia; School of Biological Sciences (UNI/Derby, UK), Gebze Institute of Technology (Istanbul, Turchia), Università Cattolica di Leuven (Belgio), CNR/IGV (sezione di FI), Dip. di Biologia Evolutiva e Funzionale (UNI/PR) e Veneto Agricoltura per gli studi di conservazione in vitro e crioconservazione; Dep. Agronomia, Uni/Cordoba (Spagna), Dip. di Scienze Ambientali (UNI/SI), Dip. Difesa e Coltivazione Specie Legnose (UNI/PI), Dip. Scienze Farmaceutiche (UNI/FI), CNR/IFAC, ARSIA, Regione Toscana e COI per gli studi inerenti la caratterizzazione di metaboliti secondari ad elevato valore nutrizionale e salutistico in oli d'oliva, in ciliegio e in specie Mediterranee.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Tutti i partecipanti alla Commessa sono consapevoli della necessità di auto-finanziare, per quanto possibile, lo sviluppo delle proprie ricerche attraverso progetti e convenzioni. Per questo si prevede di intensificare i contatti e le collaborazioni con gruppi di ricerca nazionali e stranieri, allo scopo di creare i presupposti per la partecipazione a bandi di ricerca con buone probabilità di successo. Relativamente al 2008, la Commessa ha fatto un passo avanti rilevante nell'acquisizione di fondi da finanziamenti esterni. Per il 2009, si attende risposta sul finanziamento dei seguenti programmi di ricerca: 1. Progetto "Tecnologie innovative per la tutela della biodiversità vegetale mediante crioconservazione e realizzazione di una CRIOBANCA del germoplasma di Citrus della Villa Medicea di Castello", 2° anno, sottoposto all'Ente Cassa di Risparmio di Firenze (Responsabile: M. Lambardi); 2. Progetto "VITROFLOR - Innovazione delle tecniche in vitro per il miglioramento quali-quantitativo del materiale di propagazione di piante ornamentali (floricole e da vivaio)", sottoposto dalla Vivai Piante Battistini al Ministero delle politiche agricole alimentari e forestali (Responsabile U.O. 3: M. Lambardi); 3. Progetto "CRIOVENETO - Costituzione di una criobanca (=centro di conservazione in azoto liquido) per il germoplasma vegetale del Veneto", sottoposto alla Direzione Ricerca e Sperimentazione di Veneto Agricoltura (Responsabile: M. Lambardi); 4. Progetto diricerca per la completa caratterizzazione del germoplasma olivicolo abruzzese, in collaborazione con ARSSA Regione Abruzzo (Responsabile: C. Cantini); 5. Presentazione di domanda "a sportello" presso l'ARSIA-Regione Toscana per lo sviluppo di un sistema di monitoraggio veloce dell'olio extravergine di oliva mediante strumentazione NIR (Reponsabile C. Cantini); 6. Convenzione con la CORIPRO di Pescia (LU) per la realizzazione e gestione di un campo di moltiplicazione dell'olivo per la certificazione nazionale (Responsabile: C. Cantini); 7. Convenzione con Veneto Agricoltura su "Attività di conservazione in vitro di germoplasma vegetale" (Responsabile: M. Lambardi); 8. Collaborazione con Comune di Follonica e Società VEMAR di Grosseto per la realizzazione di un impianto pilota di fitodepurazione con utilizzazione a scopo conservativo del germoplasma delle zone umide toscane (Responsabile: C. Cantini). Inoltre si segnalano le seguenti iniziative che interesseranno l'Azienda Sperimentale "Santa Paolina" di Follonica: (i) realizzazione di un campo di moltiplicazione di materiale vegetale di olivo per la produzione di piante certificate; (ii) realizzazione di giornate dimostrative per la utilizzazione di macchinari in campo destinati alla lavorazione del legno di specie forestali; (iii) costituzione di campi di germoplasma frutticolo e forestale; (iv) produzione di semi certificati da destinare all'attività vivaistica regionale.

Finalità

Obiettivi Gli obiettivi generali che si pone la Commessa ricadono nell'ambito della propagazione, della salvaguardia e della valorizzazione produttiva delle specie arboree. Propagazione: in questo ambito si punterà sia ad ampliare le conoscenze di base relativamente alla radicazione di talee (caratterizzazione di markers della rizogenesi), sia ad un avanzamento tecnologico della propagazione in vivo ed in vitro (micropropagazione), con particolare attenzione a sistemi efficienti ed innovativi di coltura in vitro (embriogenesi somatica, semi sintetici, coltura liquida). Salvaguardia, attraverso il miglioramento delle procedure di conservazione in crescita rallentata, lo sviluppo di tecniche innovative di crioconservazione di embrioni ed espianti da vitrocoltura (vitrificazione, incapsulazione/disidratazione, "droplet-freezing method"), l'ampliamento delle conoscenze sui meccanismi di resistenza allo stress di specie Mediterranee. La valorizzazione delle specie arboree punterà primariamente alla caratterizzazione di specie sia per la produzione di metaboliti di interesse nutrizionale e salutistico, sia per la duplice attitudine (frutti, legname di qualità).

Risultati attesi nell'anno I principali risultati attesi nel 2009 sono: • la caratterizzazione e selezione di nuovi genotipi di olivo, provenienti da embriogenesi somatica, con caratteri

interessanti per portamento delle piante e produttività; • la realizzazione di un prototipo di sistema di coltura liquida ventilata ad immersione temporanea e la

sperimentazione su specie ornamentali; • il perfezionamento di procedure di crioconservazione per germoplasma di melo e di kaki, basate sull'innesto di

gemme dormienti sottoposte a disidratazione e conservazione in azoto liquido; • la prosecuzione del progetto di replica in crioconservazione dell'antica collezione di agrumi della 'Villa Medicea

di Castellò in Firenze; in questo anno, altre 10-15 accessioni saranno sperimentate per l'attitudine del seme alla conservazione in azoto liquido;

• la caratterizzazione tecnologica del legno da impianti sperimentali d'olivo a duplica attitudine; • l'acquisizione di informazioni sulla relazione fra la fenologia della crescita radiale e della formazione dello

xilema in cloni di pioppo di forte interesse commerciale, come il Populus x euroamericana (clone I-214) ed il Populus deltoides (clone Dvina); tali risultati potranno essere utilizzati nei programmi di miglioramento genetico della specie.

I risultati ottenuti saranno oggetto di rapporti scientifici, presentati in Congressi internazionali e/o sottoposti per la pubblicazione in riviste specializzate. Inoltre, saranno effettuati incontri tecnici per la divulgazione dei risultati emersi dalle diverse ricerche.

Potenziale impiego - per processi produttivi La attività previste dalla Commessa rispondono alle richieste che provengono da vari settori del mondo produttivo agrario, tra i quali vanno menzionate: • le Aziende Vivaistiche e i Consorzi di produzione di specie arboree, relativamente agli studi inerenti la

propagazione in vivo; • i laboratori commerciali di micropropagazione, nei vari aspetti riguardanti la propagazione e la conservazione in

vitro; • le Aziende e i Consorzi di produzione, in particolare per gli studi inerenti le caratteristiche organolettiche e

salutistiche dell'olio di oliva; • le Industrie farmacologiche, relativamente alle ricerche incentrate sulla caratterizzazione di metaboliti ad attività

bio-farmacologica. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Alcune ricerche proposte rispondono pienamente a bisogni individuali e collettivi. Lo sviluppo di tecniche di crioconservazione, ad esempio, si pone nell'ottica di fornire uno strumento innovativo e ad elevata garanzia genetico-sanitaria per la salvaguardia della biodiversità delle specie arboree. Gli Enti preposti alla conservazione del germoplasma ne potrebbero trarre grande beneficio con la costituzione di criobanche, delle quali già sono disponibili i primi esempi nel mondo. Di grande rilievo risultano inoltre gli studi su metaboliti secondari ad attività bio-farmacologica. In tal senso, importanti sono le potenzialità offerte nella cura della salute umana da matrici vegetali ad elevata complessità polifenolica, quali quelle di specie sempreverdi Mediterranee. Esperimenti sono in corso con estratti fogliari di varia provenienza per contrastare l'effetto di radicali liberi sulle cellule dell'epidermide o inibire l'autossidazione delle lipoproteine a bassa densità, causa di danni cardio-circolatori e vascolari. In questo contesto sono anche gli studi sulla produzione di oli vergini d'oliva di elevate caratteristiche organolettiche e nutrizionali. Moduli

Modulo: Salvaguardia e valorizzazione delle specie arboree LAMBARDI Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

EVOLUZIONE E ANALISI DELLA DIVERSITÀ GENETICA IN PIANTE FORESTALI Dati generali

Progetto: Risorse biologiche e tutela dell'agroecosistema Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di genetica vegetale Sede principale svolgimento: Sede di Firenze Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: GIOVANNI GIUSEPPE VENDRAMIN Temi

Tematiche di ricerca • Identificazione di marcatori adattativi e neutrali (genoma nucleare, plastidiale e mitocondriale); • Studio della struttura ed evoluzione della diversità genetica entro a tra popolazioni naturali; • Analisi di polimorfismi in geni candidati coinvolti nell'espressione di caratteri adattativi (resistenza a stress idrico

e fenologia); • Analisi di polimorfismi neutrali (genoma nucleare e organellari) e filogeografia (dinamica passata); • Studio della struttura ed organizzazione dei genomi nucleare, plastidiale e mitocondriale; • Studio della dinamica della diversità genetica presente e futura: flussi genici; • Genetica della conservazione: definizione di metodi di conservazione in situ ed ex situ delle risorse genetiche

Stato dell'arte La conoscenza della diversità assume un ruolo strategico in programmi volti a preservare il potenziale adattativo delle popolazioni rispetto ai cambiamenti ambientali. Recentemente, molta attenzione è stata rivolta alle potenzialità dell'analisi di associazione (association analysis) e di altri approcci di genetica delle popolazioni per la dissezione di caratteri adattativi. Questi approcci potrebbero permettere di rilevare fino alla singola sostituzione nucleotidica responsabile della variazione fenotipica ma al contenpo richiedono una preliminare conoscenza di parametri genetici di popolazione, quali diversità e differenziazione genetica, entità del linkage disequilibrium, e come questi variano nel genoma. I lunghi cicli vitali della maggior parte delle piante arboree rappresentano un importante limite nello studio delle basi genetiche di caratteri complessi, e per questo approcci basati su i) linkage disequilibrium mapping e ii) identificazione di regioni soggette a selective sweeps potrebbero essere particolarmente promettenti in questi organismi. Azioni

Attività da svolgere

Punti critici e azioni da svolgere

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I partecipanti alla commessa hanno competenze nel settore specifico della genetica di popolazione e della conservazione di specie forestali. Più in particolare, il gruppo dispone di specifiche competenze: • sullo sviluppo e caratterizzazione di marcatori molecolari ed al loro utilizzo per lo studio dell'adattamento e della

dinamica della diversità genetica • sulla gestione di dati di sequenza per lo studio della struttura ed organizzazione dei genomi nucleare, plastidiale e

mitocondriale di alberi forestali • sulla creazione di data base ed all'analisi di dati per la stima di parametri genetici. Le competenze sono testimoniate dall'abbondante produzione scientifica in riviste internazionali ad alto impatto ed alla partecipazioni a numerosi progetti internazionali finanziati dall'Unione Europea. Il responsabile scientifico della commessa ha prodotto più di 100 articoli su riviste internazionali ad alto impatto ed ha svolto compiti di responsabile scientifico in progetti internazionali. Le numerose collaborazioni con riconosciute personalità scientifiche internazionali del settore (compresi i partecipanti al Network of Excellence) garantiscono un elevatissimo standard di competenze.

Strumentazione Grazie alla collaborazione con il laboratorio Genexpress (Dipartimento di Biotecnologie Agrarie, Università degli Studi di Firenze) e con il corso internazionale di Dottorato di Ricerche in "Risorse genetiche delle piante agrarie e forestali" della Scuola Superiore S.Anna di Pisa (a cui collabora anche l'IPGRI) e alla strumentazione già disponibile presso l'Istituto (Sezione di Bari) è stato possibile utilizzare strumentazione ad alta efficienza e processività. In particolare sono disponibili: sequenziatori automatici a 96, 24 e 8 capillari e a gel, stazioni robotiche, thermal cyclers,

scanner Thyphoon, real time PCR, colony picker per la gestione automatizzata di librerie, microarray scanner. Inoltre è stato possibile utilizzare stutture semi-automatiche per l'estrazione su larga scala di campioni da tessuti vegetali. Piattaforme informatiche dedicate hanno permesso la gestione di dati genetici e la creazione di data base. Specifici software per la gestione ed analisi di dati di sequenze e per la stima di parametri genetici sono stati disegnati ed utilizzati.

Tecniche di indagine Le principali tecniche di indagine utilizzate sono quelle della genetica di popolazione molecolare, quindi: • Estrazione high-throughput di DNA, l'amplificazione via PCR di marcatori molecolari, in particolare

microsatelliti e lo studio dei loro polimorfismi mediante separazione dei frammenti marcati su sequenziatori automatici; la caratterizzazione di polimorfismi SNP in geni candidati mediante l'analisi delle sequenze e analisi dei dati di popolazioni naturali.

• Sviluppo di marcatori microsatellite mediante la costruzione di librerie arricchite, sequenziamento dei cloni, disegno di primer e test dei marcatori.

• Utilizzo di marcatori neutrali (microsatelliti e isozimi) per lo studio della diversità genetica delle popolazioni di alberi forestali.

• Costruzione e caratterizzazione mediante sequenziamento di librerie genomiche sia nucleari che organellari. • Applicazione di metodi ed approcci di analisi di dati propri della genomica di popolazione, anche basati su

simulazioni, per comprendere il ruolo svolto dalla selezione e dagli altri fattori evolutivi sulle popolazioni naturali di alberi forestali e per chiarire le loro strategie di adattamento a cambiamneti ambientali.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) L'attività proposta verrà svolta in stretta collaborazione con il Dipartimento di Biotecnologie Agrarie (Laboratorio Genexpress) dell'Università di Firenze (Dr. F. Sebastiani, Prof. M.L. Racchi, Prof. A. Camussi), e con i Dr. C. Plomion, Dr. R. Petit e Dr. A. Kremer (INRA, France), Dr. S. Gonzales-Martinez (INIA, Spain), Dr. D. Neale (University of California, USA), Prof. G. Binelli (Università di Varese) e Prof. M. Morgante (Università di Udine) tutti esperti di fama internazionale nel settore, e con i partecipanti al Network of Excellence Europeo sulla genomica degli alberi (EVOLTREE: Evolution of Trees as Drivers of Terrestrial Biodiversity), recentemente approvato e in cui il proponente è coinvolto (24 gruppi di 14 paesi europei). Sono stati inoltre approvati due progetti EU: 1) "Developing best practice for seed sourcing of planted and natural regeneration in the neotropics" (SEEDSOURCE). 2) "Evolution of Trees as Drivers of Terrestrial Biodiversity" (EVOLTREE).

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Tutti i partecipanti alla Commessa sono consapevoli della necessità di auto-finanziare, per quanto possibile, lo sviluppo delle proprie ricerche attraverso progetti e convenzioni. Per questo si prevede di intensificare i contatti e le collaborazioni con gruppi di ricerca nazionali e stranieri, allo scopo di creare i presupposti per la partecipazione a bandi di ricerca con buone probabilità di successo. Relativamente al 2008, la Commessa ha fatto un passo avanti rilevante nell'acquisizione di fondi da finanziamenti esterni. Per il 2009, si attende risposta sul finanziamento dei seguenti programmi di ricerca: 1. Progetto "Tecnologie innovative per la tutela della biodiversità vegetale mediante crioconservazione e realizzazione di una CRIOBANCA del germoplasma di Citrus della Villa Medicea di Castello", 2° anno, sottoposto all'Ente Cassa di Risparmio di Firenze (Responsabile: M. Lambardi); 2. Progetto "VITROFLOR - Innovazione delle tecniche in vitro per il miglioramento quali-quantitativo del materiale di propagazione di piante ornamentali (floricole e da vivaio)", sottoposto dalla Vivai Piante Battistini al Ministero delle politiche agricole alimentari e forestali (Responsabile U.O. 3: M. Lambardi); 3. Progetto "CRIOVENETO - Costituzione di una criobanca (=centro di conservazione in azoto liquido) per il germoplasma vegetale del Veneto", sottoposto alla Direzione Ricerca e Sperimentazione di Veneto Agricoltura (Responsabile: M. Lambardi); 4. Progetto diricerca per la completa caratterizzazione del germoplasma olivicolo abruzzese, in collaborazione con ARSSA Regione Abruzzo (Responsabile: C. Cantini); 5. Presentazione di domanda "a sportello" presso l'ARSIA-Regione Toscana per lo sviluppo di un sistema di monitoraggio veloce dell'olio extravergine di oliva mediante strumentazione NIR (Reponsabile C. Cantini); 6. Convenzione con la CORIPRO di Pescia (LU) per la realizzazione e gestione di un campo di moltiplicazione dell'olivo per la certificazione nazionale (Responsabile: C. Cantini); 7. Convenzione con Veneto Agricoltura su "Attività di conservazione in vitro di germoplasma vegetale" (Responsabile: M. Lambardi); 8. Collaborazione con Comune di Follonica e Società VEMAR di Grosseto per la realizzazione di un impianto pilota di fitodepurazione con utilizzazione a scopo conservativo del germoplasma delle zone umide toscane (Responsabile: C. Cantini). Inoltre si segnalano le seguenti iniziative che interesseranno l'Azienda Sperimentale "Santa Paolina" di Follonica: (i) realizzazione di un campo di moltiplicazione di materiale vegetale di olivo per la produzione di piante certificate; (ii) realizzazione di giornate dimostrative per la utilizzazione di macchinari in campo destinati alla lavorazione del legno

di specie forestali; (iii) costituzione di campi di germoplasma frutticolo e forestale; (iv) produzione di semi certificati da destinare all'attività vivaistica regionale.

Finalità

Obiettivi -Identificazione di marcatori molecolari a potenziale valore adattativo. I geni candidati per i caratteri di interesse verranno trasferiti da geni ortologhi di specie modello. I geni selezionati verranno identificati mediante la costruzione di librerie cDNA e librerie genomiche arricchite della componente non metilata (genica). È prevista la costruzione di una libreria BAC come supporto per l'analisi dell'organizzazione del genoma e dell'estensione del linkage disequilibrium nella specie modello. - Caratterizzazione di nuovi marcatori molecolari neutrali dei genomi nucleare, plastidiale e mitocondriale. Si prevede la costruzione di librerie arricchite in microsatelliti nucleari e il sequenziamento del genoma plastidiale della specie modello. Analisi della distribuzione della diversità nucleotidica, a diverse scale geografiche. Il ruolo dei diversi fattori evolutivi che governano la distribuzione della variazione genetica verrà verificato attraverso una meta-analisi. - Studio dell'evoluzione della diversità genetica. Metodi molecolari per studiare la dinamica della diversità genetica, l'estensione del linkage disequilibrium e sua variazione nel genoma della specie m

Risultati attesi nell'anno

Potenziale impiego - per processi produttivi La commessa si propone di accrescere le conoscenze relative alla diversità genetica di caratteri adattativi e quindi di fornire metodi innovativi per la conservazione, il miglioramento e l'utilizzazione delle risorse genetiche forestali e, più in particolare, per l'acquisizione di nuovi standards per la certificazione di aree ad alto valore conservazionistico. I metodi sviluppati e le conoscenze acquisite verranno utilizzati per monitorare i processi produttivi legati alla utilizzazione del legno, attraverso la tracciabilità (traceability of wood products) e l'ecocertificazione come base di un'utilizzazione sostenibile dei prodotti forestali e come strumento per combattere la deforestazione e il commercio illegale del legno. Conoscenze relative alla dinamica della diversità in ecosistemi forestali potranno essere utili per ottimizzare gli interventi selvicolturali (utilizzo dei prodotti e mantenimento della diversità genetica). Lo studio della struttura genetica può essere utile alle imprese vivaistiche per la messa a punto di efficaci metodi di campionamento e per l'impiego delle risorse genetiche individuate per la produzione di materiale di propagazione selezionato. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le conoscenze acquisite nell'ambito di questa commessa consentiranno di ottimizzare la gestione di aree forestali e di aree protette, comprese le riserve naturali, e di fornire guide tecniche per accrescere la fruibilità di ambienti ad alto valore paesaggistico e biologico nell'interesse della collettività. Inoltre sarà possibile un maggiore controllo sull'origine del materiale di propagazione, riducendo il rischio legato all'utilizzazione di materiale non locale, e quindi potenzialmente non adatto alle condizioni dell'area di destinazione. L'individuazione di importanti risorse genetiche forestali può portare all'istituzione di nuove aree protette con ricadute positive sul territorio e sulle produzioni locali. Lo studio della distribuzione geografica della diversità genetica e del potenziale adattativo delle popolazioni di specie forestali può essere utile agli studi ed ai programmi di miglioramento genetico. Moduli

Modulo: EVOLUZIONE E ANALISI DELLA DIVERSITÀ GENETICA IN PIANTE FORESTALI

Istituto esecutore: Istituto di genetica vegetale Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze

Piano annuale 2009 Progetto 3 - Commesse

Gestione delle risorse del territorio mediante tecnologie informatiche innovative Dati generali

Progetto: Sviluppo rurale e territorio Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: CLAUDIO CONESE Temi

Tematiche di ricerca Sviluppo di tecnologie informatiche finalizzate all'elaborazione ed interpretazione di dati territoriali, con particolare attenzione all'integrazione tra GIS e sistemi per l'archiviazione di dati ed alle più aggiornate tecnologie per la realizzazione di applicazioni GIS dedicate. Utilizzo dei dati forniti dai satelliti di nuova generazione ad alta/media risoluzione (QUICKBIRD, SPOT, ASTER, MODIS, MERIS), anche per la componente marina, a bassa risoluzione (MSG) per gli aspetti meteorologici, ed alle misure iperspettrali da aereo per la stima, tra glialtri,di parametri ecologici(PPN)basilari nello studio degli ecosistemi agricoli e forestali. I campi di applicazione delle attività di ricerca possono essere schematizzati come segue: 1)Gestione risorse idriche e salvaguardia ambientale nel settore agricolo 2)Formazione e training sulle applicazioni GIS per l'allerta precoce in campo agroalimentare 3)Gestione ecosistemi agricoli tramite GIS e DSS 4)Prevenzione e gestione del fenomeno degli incendi forestali

Stato dell'arte L'applicazione di nuove tecnologie nello studio del territorio possono fornire validi strumenti sia nella gestione che nell'acquisizione di nuove conoscenze. In particolare l'uso integrato di G.I.S, database geografici e immagini satellitari ad alta risoluzione permette di avere una base di informazioni completa ed esaustiva per l'applicazione di modelli matematici per l'analisi di differenti aspetti del territorio e fenomeni naturali complessi (tematica 4). Le nuove normative nazionali ed internazionali nel campo dell'inquinamento di origine agricola, del risparmio e ottimizzazione dell'uso delle risorse naturali,della salvaguardia di ecosistemi naturali di alto valore aggiunto (foreste) danno indicazioni sulla necessità di identificare metodologie efficaci per ottenere risultati tangibili in tempi rapidi (tematica 1). La tendenza è quella di mettere a punto, a partire dai risultati della ricerca, strumenti operativi quali DSS e Sistemi software dedicati, direttamente utilizzabili da Enti ed Amministrazioni responsabili della gestione ambientale (tematiche 2 e 3). Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Il personale afferente ha nel tempo acquisito competenze ed esperienza consolidata che garantisce un elevato livello di conoscenze e professionalità. La partecipazione a progetti internazionali permette il costante aggiornamento sia dei ricercatori che del personale tecnico. Alle competenze di base, prevalentemente in campo agronomico ed ambientale, si sono via via aggiunte conoscenze di tipo ingegneristico (modellistica, elaborazione di dati satellitari) e la capacità di lavorare con i più moderni strumenti GIS.

Strumentazione Per lo svolgimento delle attività di competenza la strumentazione di base consiste in hardware e software per la gestione di dati territoriali (server, dbase, GIS, scanner, plotter e sw per la digitalizzazione a video). Il gruppo di lavoro ha messo a punto sistemi informatici per la gestione di sensori in campo sia tradizionali che wireless. Vengono comunemente utilizzati GPS, palmari e navigatori satellitari.

Tecniche di indagine L'insieme delle attività della Commessa richiede un ampio spettro di competenze (da quelle agronomiche a quelle ingegneristiche e software) che garantiscano un approccio interdisciplinare. Competenze e tecnologie di base possono essere così schematizzate: 1)Utilizzo tecnologie GIS e relativa programmazione per applicazioni dedicate, procedure automatiche di image processing (dati aerei e satellitari), elaborazione ed interpretazione dei dati territoriali, conoscenza degli ecosistemi


agrari e forestali, tecniche di modellizzazione degli ecosistemi, tecniche di analisi, monitoraggio e studio delle dinamiche meteorologiche della zona costiera. 2) GIS, database GIS oriented, tecniche di Earth Observation, sistemi di misura dei parametri agro-meteorologici, ecosistemici e costieri, integrazione di GIS/GPS per raccolta di verità a terra . 3) Modellistica ambientale, analisi di dati di remote sensing, implementazione di DSS ed integrazione dati ambientali per la realizzazione di possibili scenari.

Tecnologie Non applicabile

Collaborazioni (partner e committenti) Collaborazioni a livello nazionale ed internazionale, sono già in atto da tempo per lo svolgimento dei molteplici aspetti della ricerca. La collaborazione con Istituzioni attive nella Cooperazione Internazionale, con Enti locali e con Ministeri facilita il contatto con le problematiche ambientali e legate ai diversi territori. Inoltre fondamentali sono i contatti citati per il reperimento dei dati storici,la validazione dei risultati e la diffusione delle innovazioni sul territorio. A livello internazionale da anni è attiva la partecipazione a progetti europei. Il supporto alla ricerca viene fornito anche ad Enti privati e ditte nazionali ed estere. Per le tematiche ai punti 1), 3), e 4)sono attive collaborazioni con il, MIUR, vari Enti Regionali in Italia, U.E., Dipartimenti di varie Università italiane quali Napoli (Federico II),Torino,Tuscia, per le attività dei punti 2) e 3) le collaborazioni sono attive anche con il Ministero Affari Esteri, WMO, Agrimet e Paesi dell'area Saheliana.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Particolare attenzione sarà dedicata alla costituzione della società consortile prevista per la creazione del Distretto Tecnologico Agrobio e Pesca compatibile – Sicilia. Il Distretto Tecnologico costituirà un soggetto privilegiato nella gestione dei fondi strutturali 2007-2013 destinati alle regioni della convergenza.

Finalità

Obiettivi Le attività programmate si propongono i seguenti obiettivi: • modellizzazione delle relazioni ed interazioni che intercorrono tra le varie "componenti" del territorio e tra

differenti sistemi naturali. • analisi ed applicazioni dei dati ottenibili da telerilevamento, • studio delle possibili applicazioni dei GIS al settore agricolo e forestale ed integrazione in questi di modelli

matematici • studio di metodologie innovative per l'ottimizzazione nell'uso delle risorse in campo agricolo ed orticolo.


Potenziale impiego - per processi produttivi Le attività di ricerca sono finalizzate all'implemetazione di prototipi SW e DSS in ambito agroforestale ed agrometeo che possano successivamente essere utilizzati per la realizzazione di strumenti sw operativi. - per risposte a bisogni individuali e collettivi - Prevenzione, monitoraggio e gestione dei rischi naturali. - Previsioni e proiezioni in funzione di differenti variabili ambientali. - Supporto agli Enti locali per studi scientifici relativi a particolari emergenze territoriali. Moduli

Modulo: Gestione delle risorse del territorio mediante tecnologie informatiche innovative

Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sviluppo ed applicazione di metodologie per l'impiego di dati aero-satellitari nell'ambito del monitoraggio del territorio agro-forestale e dei processi e delle dinamiche interni agli ecosistemi naturali

Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Dinamica dei sistemi agro-forestali; vulnerabilità, adattamento, mitigazione Dati generali

Progetto: Sviluppo rurale e territorio Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: FRANCESCO MIGLIETTA Temi

Tematiche di ricerca Sviluppo di sistemi sperimentali di campo per lo studio degli effetti deidiversi fattori di cambiamento Determinazione di stati di stress dellevegetazione mediante sistemi di telerilevamento (termico e multispettrale)da aereo Analisi dell'effetto di elevate concentrazioni di CO2 atmosfericasu produttività di colture agrarie e qualità delle produzioni Campagne dimisura a scala regionale, nazionale ed globale per la misura diretta delsequestro di CO2 nei sistemi agricoli e forestali

Stato dell'arte Il sistema agro-alimentare e quello forestale sono vulnerabili di fronte aidiversi e principali fattori di cambiamento. Variazioni dellecaratteristiche chimiche dell'atmosfera (aumento di concentrazione di CO2,ozono troposferico, deposizioni di azoto etc.) e variazione dellecaratteristiche climatiche (aumento di temperatura, variazione del regimepluviometrico, eventi estremi) espongono il sistema a rischi significativiche possono avere conseguenze sulla produttività primaria Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine

Strumentazione

Tecniche di indagine

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Le collaborazioni internazionali attive o da attivare riguardano circa unacentinaio di laboratori europei (Progetti UE), altri organi CNR e diverseUniversità italiane. Sono già attive collaborazioni consolidate conUniversità ed Organismi di ricerca USA nell'ambito dell'accordo bilateraledi collaborazione fra governo italiano e statunitense. La realizzazione diattività di networking delle rete internazionali prevede collaborazioni con215 organizzazioni che sono inserite nella rete Fluxnet


Finalità

Obiettivi Quantificare gli effetti delle variazioni ambientali attese su produzione,qualità e sostenibilità del sistema agro-forestale mediante attivitàsperimentali e modellistica Definire soglie di rischio e di vulnerabilitàanche mediante lo sviluppo di indici specifici Definire strategie diadattamento e proporre azioni di mitigazione inserite nel contesto delleConvenzioni Internazionali



Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Moduli

Modulo: Dinamica dei sistemi agro-forestali; vulnerabilità, adattamento, mitigazione



Sviluppo rurale, occupazione ed identità culturale Dati generali

Progetto: Sviluppo rurale e territorio Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: ANTONIO RASCHI Temi

Tematiche di ricerca Valutazione delle potenzialità economiche e occupazionali di aree rurali nella prospettiva di un sistema agricolo multifunzionale integrato nella realtà locale. Realizzazione di indagini sulla realtà economica e ambientale e sulla identità culturale di aree campione, tramite raccolta e analisi di dati,interviste e focus groups. Sviluppo di modelli e di strumenti di supporto alla decisione, e di analisi di scenario, per una maggiore efficienza economica delle aree rurali. Valutazione delle risorse in ottica di filiera e di ambito territoriale; analisi quali-quantitative per lo sviluppo di organismi operanti nel settore agro-alimentare. Analisi dei processi produttivi e della gestione aziendale. Messa a punto di metodologie di comunicazione per una migliore connotazione della identità territoriale e per l'informazione e la formazione di attori coinvolti (amministrazioni, imprese, scuola, associazionismo).

Stato dell'arte Le trasformazioni socioeconomiche degli ultimi decenni, legate anche alla globalizzazione, hanno modificato profondamente identità culturale e ruolo economico delle aree rurali, con un impoverimento della cultura locale, della conoscenza del territorio, e riduzione delle possibilità di sviluppo economico. Le iniziative LEADER, gli impegni del Fondo Sociale Europeo, la PAC mirano a rilanciare modolli di sviluppo più complessi, ponendo l'accento non solo sulla attività produttiva, ma anche sugli aspetti ambientali e sociali. In tale quadro il mondo della ricerca può essere motore dello sviluppo locale, ove, sulla base di una analisi delle potenzialità, sia in grado di proporre strategie di sviluppo basate sulla diversificazione nell'uso delle risorse locali, nel quadro più generale della globalizzazione economica. Tale azione deve essere svolta in collaborazione con gli attori già presenti sul territorio (amministrazioni, imprenditoria, scuola) per favorire uno sviluppo sostenibile, che garantisca le necessità presenti preservando e incrementando il capitale ambientale, sociale, umano e infrastrutturale. Azioni




Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) L'attività è svolta di concerto con Istituzioni pubbliche locali, con il mondo della scuola, con l'associazionismo e con imprese. Fra le istituzioni, Ministero del Welfare, Regioni (Emilia Romagna e Toscana), Provincie (Prov. Autonoma di Trento),(Comunità Montane (Casentino, Valtiberina Toscana, Fortore, Alto Tammaro), Comprensori (Alta Valsugana, Bassa Valsugana e Tesino), Comuni, ARPA, Consorzi (Arezzo Innovazione), Consorzi di Bonifica, UNIBO - Dip. DEIAGRA, UNIPD - Dip. TESAF, UNIPR, Università di York, Università di Reading, CNRS, Univ. Minnesota, Segr. di Stato per il Territorio della Rep. di San Marino, Univ. di Guadalajara (Messico), Fondazione per l'artigianato artistico, Prog. EUROACADEMY, Progetto COST E33, Università di Godollo (Ungheria).



Finalità

Obiettivi Contribuire alla valorizzazione delle potenzialità economiche e occupazionali di aree rurali, tramite proposte di diversificazione delle attività, anche nella prospettiva di una agricoltura multifunzionale. Valutare il rapporto esistente fra la popolazione e il proprio territorio. Agire sul mondo giovanile, aiutandolo ad identificare le potenzialità di sviluppo sostenibile, tramite una conoscenza più approfondita del proprio territorio. Proporre tecniche di divulgazione, e mettere a punto metodi e modelli per l'orientamento professionale dei giovani, basati sulla conoscenza delle risorse locali. Valutare la sostenibilità economica e ambientale di tecniche agrarie e colture. Tutelare le risorse ambientali sociali culturali e infrastrutturali. Produrre supporti metodologici e informativi per orientare i processi decisionali. Mettere a punto metodi e supporti per la gestione aziendale, attraverso la monitorizzazione di aziende agrarie.


Potenziale impiego - per processi produttivi L'attività relativa alle valutazione dei processi produttivi e della gestione aziendale è svolta in stretto contatto con aziende agricole, monitorandone i dati di bilancio. Altrettanto avviene per la valutazione di tecniche agronomiche e di produzioni agrarie alternative (quali la semina su sodo e la produzione di piante da fibra o di piante tintorie), che sono analizzate a livello aziendale e non solo a livello parcellare. Uno stretto contatto con il mondo della produzione è di primaria importanza anche per ciò che riguarda l'analisi delle preferenze di mercato e l'analisi sensoriale di prodotti tramite panel test. Si ritiene pertanto che le attività svolte possano essere facilmente oggetto di impiego nel mondo della produzione. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La situazione critica del settore agricolo è ovviamente nota agli imprenditori, e almeno in parte agli amministratori locali, dal contatto con i quali è spesso emersa l'esigenza di un supporto scientifico a innovazioni che possano favorire lo sviluppo sostenibile locale nel quadro della globalizzazione. È inoltre evidente come tale finalità possa realizzarsi solo ove vi sia piena coscienza, da parte dei decisori e della popolazione, delle potenzialità del territorio; a questo proposito è emersa ripetutamente la necessità di iniziare azioni informative riguardo al territorio in ambiente scolastico, per far sì che la scuola non sia un organismo autoreferenziale, ma possa favorire un completo inserimento dei giovani, anche a fine lavorativi. A tale esigenza sociale risponde lo sviluppo di attività e metodologie informative previsto dalla presente commessa. Moduli

Modulo: Sviluppo rurale, occupazione ed identità culturale Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sistemi di supporto alle decisioni per una gestione sostenibile del sistema agricolo e delle filiere agro-industriali Dati generali

Progetto: Sviluppo rurale e territorio Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biometeorologia Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: GAETANO ZIPOLI Temi

Tematiche di ricerca Acquisizione dei dati fisici delle aree relativi a morfologia, geo-pedologia, climatologia, uso del suolo e loro georeferenziazione. Sviluppo e valutazione comparata di modelli meteorologici a diversa scala temporaleper il loro impiego in modelli di crescita/sviluppo delle colture (peresempio frumento) e dei loro organismi patogeni (per esempio peronosporadella vite) e per una spazializzazione dinamica dei dati agrometeorologici.

Stato dell'arte Il sistema agro-alimentare (intendendo sia le imprese che la P.A.per le produzioni vegetali ed animali) per operare in maniera più efficiente e sostenibile si avvale di metodologie innovative per la previsione, a varie scale spaziotemporali, delle produzioni agricole, sia in termini quantitativi che qualitativi. Inoltre condizione di successo di scelte sull'utilizzo delle risorse del territorio è la disponibilità di strumenti che consentano di valutare ex ante gli effetti di eventuali decisioni. Azioni




Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Regione Toscana. UniFi, Dip scienze agromoniche e gestione del territorio agroforestale e Centro Interdip. Bioclimatologia. MAE: Ist.Agromonico per l'Oltremare. MIPAF: UCEA, Roma. INRA: Laboratoire de Bioclimatologia, Avignon. USDA: Water Conservation Lab, Phoenix. Univ of Montana, UM Numerical Terradynamic Simul.Group, Missoula. Univ Fort Collins, Colorado, USA. WMO, Commis.di Agrometeorologia. FAO, Roma. Servizi agrometeo regionali. Vitrociset, Datamat, Roma. COST Action 718.



Finalità

Obiettivi Messa a punto di prototipi di SSD per la previsione dei raccolti e della qualità dei prodotti alimentari, per la gestione sostenibile delle operazioni colturali e per la previsione degli impatti sull'attività agricola portate dalle modificazioni del territorio. L'implementazione dei SSD richiede l'integrazione di competenze agrometeoclimatologiche, di modellistica numerica dei processi funzionali degli ecosistemi agroforestali, di gestione dei dati fisici del territorio tramite GIS.


Potenziale impiego - per processi produttivi I possibili impieghi dei DSS sono molto numerosi e sono riferibili prevalentemente all'ottimizzazione degli aspetti gestionali sia in azienda (quando e come intervenire con le varie operazioni colturali e non) che in più ampi comprensori dove deve essere valutata per esempio la vocazionalità di un territorio per certi usi agro-forestali ovvero i rischi a cui può essere esposto in funzione di questi. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Ovviamente i DSS rappresentano importanti strumenti a supporto delle decisioni che operatori singoli o collettivi (singoli agricoltori o associazioni/cooperative di agricoltori per esempio) devono prendere durante le varie fasi delle loro attività. Così la decisione di intervenire con irrigazione antibrina (costosa e d'impatto sulle risorse del territorio) può essere resa più efficace grazie alle conoscenze agrometeorologiche codificate in um modello operativo di previsione delle gelate tardive, che interessano prevalentemente le produzioni agricole. Moduli

Modulo: Sistemi di supporto alle decisioni per una gestione sostenibile del sistema agricolo e delle filiere agro-industriali



Sicurezza qualità alimentare e salute Dati generali

Progetto: Sicurezza, qualità alimentare e salute Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica IDAIC Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Agroalimentare Responsabile indicato: ALBERTO GERMANÒ Temi

Tematiche di ricerca La commessa è in due moduli: il Modulo 1 si articola in 1) analisi dei sistemi di qualità degli alimenti, che si collega nelle ricerche del 2008 in corso di ultimazione e che riguardano: 2a) indagine su imprese agroalimentari con un sistema di certificazione integrata di processo e di prodotto; 2b) studio delle attuali forme di contrattazione sul mercato alimentare; 2c) studio degli interventi normativi di cui la legislazione alimentare italiana ha bisogno; 2d) studio dell'ambiente toscano, con produzioni alimentari di qualità (olio e vino), al fine di vagliare gli effetti dell'evoluzione normativa comunitaria e nazionale su di esso. Per le attività sub 2a e 2b si provvederà, nel 2009, alla pubblicazione dei risultati dei rispettivi studi svolti e ultimati nel 2008; per l'attività sub 2c si stanno completando gli studi commissionati dal MiPAAF; per l'attività sub 2d è in avanzato stato di realizzazione lo studio commissionato dall'Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Per il tema 1 si consideri che l'Expo di Milano del 2015 ha come titolo "Nutrire il pianeta. Energia per la vita". Il modulo 2 è già completato. Il Modulo 3 consiste nel supporto tecnico al MiPAAF.

Stato dell'arte All'attenzione, spesso superficiale, dei media sulla normativa dell'alimentazione, si contrappone l'impegno scientifico dell'IDAIC risultante dai volumi della sua Collana e dagli articoli della sua Rivista di diritto agrario; dal suo commento al reg. 178/2002 (Nuove leggi civili commentate 2003, pp. 114-490); dai suoi Convegni su "La regolazione e la promozione del mercato alimentare nell'Unione Europea" (Udine novembre 2006), su "Le regole del vino" (Roma novembre 2007), su "La nuova figura dell'imprenditore ittico" (Sassari novembre 2007), su "Cooperazione, conflitti e interventi pubblici, con riguardo ai fattori produttivi agricoli e alla gestione del territorio" (Ascoli Piceno ottobre 2008). Mentre la Francia sistematizza le proprie norme agricole e alimentari, l'Italia non ha né un Codice agricolo né un Codice alimentare: l'IDAIC, che aveva già redatto nel 2005 uno schema di Codice agricolo, si è impegnato con il MiPAAF ad aggiornarlo e a formulare uno schema di Codice alimentare. Dunque, lo stato dell'arte sui punti 1 e 2a, 2b e 2c è ben rappresentato dagli studi IDAIC, mentre quello sul punto 2d è di nuova impostazione e finora non c'è stato uno studio specifico sul tema. Azioni

Attività da svolgere Prosecuzione della Rivista di diritto agrario (spesa prevista: € 8.300 [ euro 2.100 per tipografia + euro 6.200 per compenso Direttore per il 2009]; a tale spesa occorre aggiungere quella di euro 6.200 per compenso Direttore per il 2008, impegnata e non ancora pagata. Implementazione della Biblioteca (spesa prevista: euro 4.700, di cui euro 1.200 per acquisto volumi, euro 2.000 per abbonamenti riviste ed euro 1.500 per la rilegatura delle riviste). Prima tematica: Studio dei sistemi di qualità degli alimenti nei diritti comunitario e nazionale, con una ricerca interna sul tema (se sarà proclamato il vincitore del bando per ricercatore) e con l'organizzazione di un apposito Convegno, finanziato dall'Università di Macerata e dall'Association Italian Food Law (spesa prevista a carico dell'IDAIC: € 5.000 per il Convegno e € 9.000 per la pubblicazione degli Atti). Seconda tematica: Pubblicazione dell'indagine di cui al punto 2a (spesa prevista: € 4.000 già imputati). Deregistrazione e pubblicazione degli Atti del Convegno IDAIC di Ascoli Piceno di cui al punto 2b (spesa prevista: € 14.458 già imputati). Supporto giuridico al MiPAAF, per il completamento della commessa assegnata all'IDAIC con il DM 16631 del 21/12/2007 di cui al punto 2c (contributo MiPAAF di € 92.565; cofinanziamento IDAIC di € 935). Completamento dell'indagine di cui al punto 2d e pubblicazione dei risultati (contributo Cassa Risparmio di Firenze di € 35.150; cofinanziamento IDAIC di € 1.000).

Punti critici e azioni da svolgere L'IDAIC non ha (ancora) ricercatori in organico. La filosofia del vecchio CdA era quella di destinare il modesto budget ricevuto dal MIUR alle attività istituzionali, potendo contare sulla (gratuita) collaborazione occasionale dei soci (italiani e stranieri) dell'IDAIC. Il nuovo ordinamento dell'IDAIC, conseguito dal suo accorpamento nel CNR, ha imposto di cambiare registro, sicché ora l'Istituto ha bisogno di ricercatori interni e/o di assegnisti di ricerca. Altra criticità è l'insufficiente somma che l'IDAIC può destinare all'implementazione della sua Biblioteca, l'unica specializzata per il diritto, l'economia, la politica e la storia dell'agricoltura nel mondo, ricca di (circa) 13.000 volumi e di 205 testate di riviste.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine L'IDAIC possiede provata competenza nel settore dello studio e dell'interpretazione delle leggi. I collaboratori chiamati nel 2009 alla realizzazione della commessa di cui al punto 1 sono professori (ordinari e associati) e ricercatori del raggruppamento scientifico-disciplinare JUS03, tutti collegati all'IDAIC, che non ha (ancora) in organico un ricercatore o un assegnista di ricerca. Di supporto all'attività dei collaboratori scientifici, l'IDAIC, che ha un'unica impiegata di ruolo di livello VIII, deve ricorrere a collaboratori tecnici per la prosecuzione dei programmi di redazione degli atti contabili e di organizzazione della biblioteca (con € 19.000 di spesa preventivata). Quanto al completamento dei temi di cui ai punti 2, l'IDAIC per il tema 2c si sta avvalendo del gruppo di collaboratori indicati dal MiPAAF nel decreto 3.11.2006 e di vari cultori della materia che collaborano con le cattedre italiane di JUS03, mentre per il tema 2d si avvale della collaborazione di un gruppo di studiosi facenti capo alla Cattedra senese di diritto agrario.

Strumentazione L'IDAIC utilizza internet, i computer e le fotocopiatrici in suo possesso, nonché si serve della Gazzetta Ufficiale e/o della raccolta di leggi a cui è abbonato e dei volumi e riviste che arricchiscono annualmente la sua Biblioteca.

Tecniche di indagine Per il tema sub 1 del 2009, la partenza è il Libro Verde della Commissione del 15.10.2008, sulla qualità dei prodotti agricoli (norme di prodotto, requisiti di produzione e sistemi di qualità dop, igp, stg e biologico). Lo studio delle norme comunitarie e nazionali sulla qualità degli alimenti è il presupposto per quello delle tecniche di organizzazione delle imprese per l'immissione dei prodotti sul mercato unico e globalizzato, e ciò con un'indagine sui consumatori che ricercano cibi saporiti, tradizionali e genuini. L'indagine sarà sia sui requisiti minimi in materia di igiene e sicurezza degli alimenti, sia sulle norme di identità, composizione, territorialità dei prodotti alimentari tipici dell'Italia. Per il tema sub 1 influiranno gli studi già compiuti sui temi sub 2 e più precisamente per il tema 2a sui modi di attuazione, implementazione ed esecuzione del diritto comunitario, per i temi 2b e 2c sulle modalità migliori di rendere partecipi il mondo accademico e imprenditoriale dei risultati delle ricerche e per il tema 2d sulle normative comunitarie, nazionali e regionali di tutela, con l'ambiente e il paesaggio, della produzione alimentare tradizionale e tipica italiana.

Tecnologie Lo studio dei sistemi di qualità degli alimenti (tema 1) parte dal Libro Verde della Commissione europea del 15.X.2008 e dalle risposte dell'IDAIC all'inchiesta. Esso si innesta nei Progetti 4 "Sviluppo sostenibile del sistema agroindustriale" e 5 "Sicurezza, qualità alimentare e salute" del Piano 2008-10 del Dipartimento Agroalimentare, e si completa in articoli sulla qualità di prodotti italiani (a cura del futuro ricercatore IDAIC) e nel Convegno (supportato dalla Cattedra di diritto agrario di Macerata e dall'Association Italian Food Law) sui sistemi di qualità degli alimenti. Quanto ai temi 2: il progetto per un'agricoltura integrata quanto al processo di produzione di alimenti tipici ha richiesto la ricognizione di alcune ricette e dei loro metodi produttivi (2a); l'esame dei contratti agrari, di quelli agroindustriali e di quelli del mercato alimentare si è concluso con il Convegno ad Ascoli Piceno, i cui Atti sono pubblicandi (2b); il supporto tecnico normativo al MiPAAF sta per concludersi (2c); i risultati dello studio delle strutture giuridiche del patrimonio ambientale della Toscana produttrice di alimenti (olio e vino) di qualità verranno pubblicati nel 2009.

Collaborazioni (partner e committenti) I partner per il 2009 sono: quanto al tema 1, la Cattedra di Diritto agrario dell'Università di Macerata e l'Association Italian Food Law. Quanto al tema 2d, la Cattedra di Diritto agrario dell'Università di Siena. I committenti sono ancora il MiPAAF per il tema 2c e l'Ente Cassa di Risparmio di Firenze per il tema 2d.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Per il Convegno 2009 sui sistemi di qualità dei prodotti alimentari si è già ottenuto l'impegno finanziario della Cattedra di diritto agrario dell'Università di Macerata e dell'Association Italian Food Law. Si cercherà il sostegno finanziario di altri organismi interessati al sistema di qualità, come la Federalimentare, le organizzazioni professionali agricole, gli altri Istituti del Dipartimento CNR dell'Agroalimentare ed altri Dipartimenti del CNR (ad es. il Dipartimento "Identità culturale" che ha stipulato con la Cattedra di Diritto Agrario dell'Univeristà di Pisa una convenzione su "Osservatorio di Diritto Alimentare"). Se venisse assegnato il ricercatore interno di cui al concorso bandito dal CNR potrebbero accettarsi le richieste, da parte delle Regioni e/o del MiPAAF, di incarichi di studio, ricerche e redazione di testi normativi sui temi dell'agricoltura, delle foreste, della acquacoltura, della pesca e dell'alimentazione. Si cercherà di ottenere un altro incarico da parte del MiPAAF per la realizzazione, con riguardo alle leggi "agricole", del c.d. decreto-taglialeggi (Ministro Calderoli).

Finalità

Obiettivi 1) Trasmissione della conoscenza del diritto comunitario agroalimentare, con particolare riguardo ai sistemi di qualità degli alimenti (denominazioni di origine protette, indicazioni geografiche protette, specialità tradizionali garantite,


produzione agricola biologica), e ciò attraverso studi da pubblicare sulla Rivista di diritto agrario e con un Convegno nell'ottobre 2009, appunto, sui sistemi di qualità dei prodotti alimentari (tema 1). 2) Pubblicazione dello studio di cui al tema 2a. 3) Pubblicazione degli atti del Convegno di Ascoli Piceno su "Cooperazione, conflitti e interventi pubblici, con riguardo ai fattori produttivi agricoli e alla gestione del territorio" (tema 2b) 4) Stesura di uno schema di decreto legislativo "Codice alimentare" e di altri schemi normativi rilevanti per gli agricoltori e gli industriali del settore alimentare, con discussione in una Tavola rotonda e pubblicazione dei relativi atti (tema 2c). 5) Pubblicazione dello studio di cui al tema 2d. 6) Prosecuzione dell'edizione della Rivista di diritto agrario. Agricoltura. Alimentazione. Ambiente. 7) Implementazione della Biblioteca IDAIC.

Risultati attesi nell'anno Trasmissione del sapere scientifico di cui alle tematiche 1 e 2, attraverso le proprie pubblicazioni (Rivista di diritto agrario e Collana) e attraverso il proprio Convegno 2009.

Potenziale impiego - per processi produttivi All'agricoltura si chiede di vincere la sfida per l'alimentazione incrementando la produzione ma in modo sostenibile. In tale sfida la ricerca scientifica ha alti compiti: da un lato, lo sviluppo di moderne tecnologie e l'adozione di tecniche che rendano le pratiche agricole più efficienti, dall'altro una maggiore riflessione sull'interesse che i consumatori rivolgono agli alimenti legati al territorio. Se il concetto di igiene e di sicurezza alimentare è entrato nelle aspettative comuni, il concetto di qualità si è evoluto, considerando sia gli aspetti organolettici che quelli di servizio (packaging, conservabilità, semplicità di preparazione). La qualità è un argomento che riguarda gli agricoltori e gli acquirenti, sia nel caso delle derrate che rispondono ai requisiti minimi di igiene e di sicurezza, sia nel caso dei prodotti di qualità nei quali l'Europa eccelle. L'approfondimento del tema sub 1, ovvero delle norme di prodotto, dei requisiti di produzione e dei sistemi di qualità, è interesse di tutte le imprese agroalimentari nella misura in cui i consumatori vogliono conoscere, appunto, le caratteristiche del prodotto, i metodi di produzione e i luoghi di produzione. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La trasmissione del sapere sulla legislazione comunitaria di diritto alimentare e, in specie, del diritto dei sistemi di qualità dei prodotti alimentari risponde, oggi, ad esigenze sia degli organi legislativi degli Stati membri per tutti i problemi connessi alla formulazione delle regole tecniche dell'origine, sia dei teorici della materia dell'agricoltura nei suoi profili giuridici, economici, politici e storici, sia degli imprenditori agroalimentari nella loro competizione per la conquista del mercato. Moduli

Modulo: Sicurezza qualità alimentare e salute Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica IDAIC Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Prosecuzione Codice Agricolo - MiPAF Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica IDAIC Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Supporto tecnico al MiPAAF Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica IDAIC Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Vocabolario Storico Italiano Dati generali

Progetto: Lingua italiana: strutture, modelli, archivi testuali e repertori lessicali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto opera del vocabolario italiano Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: PIETRO BELTRAMI Temi

Tematiche di ricerca Redazione del Vocabolario Storico Italiano; nella fase attuale, redazione della sezione antica (fino alla fine del Trecento) denominata Tesoro della Lingua Italiana delle Origini (TLIO). Dato che il TLIO ha come caratteristica essenziale di essere redatto di prima mano sui testi, precedente e ora parallelo alla redazione del TLIO è lo sviluppo di una grande banca dati testuale dell'italiano antico, che è anche autonomamente uno strumento lessicografico di grande importanza per gli studi di linguistica italiana. In funzione del TLIO e della banca dati l'OVI sviluppa anche software lessicografico , anch'esso disponibile agli studiosi per altre applicazioni. Le competenze e gli strumenti possono essere impiegati anche per consulenza, progetti in collaborazione e conto terzi (nel 2003-05 una banca dati delle lettere edite dell'Archivio Datini per l'Archivio di Stato di Prato).

Stato dell'arte La parte ad oggi edita in rete del TLIO (19.000 voci alla fine del 2008) è l'unico vocabolario storico dell'italiano antico attualmente disponibile, che cresce parallelamente al grande progetto di lessico etimologico dell'Università di Saarbrücken (Lessico Etimologico Italiano), di cui è attualmente una fonte. La banca dati dell'italiano antico è uno strumento interamente nuovo. Ad oggi la lessicografia storica italiana possiede solo il Grande Dizionario della Lingua Italiana UTET, fortemente arretrato per metodi rispetto ai paralleli francesi e inglesi, e molto debole nella parte filologica. Si è interrotto per la scomparsa dell'autore il Glossario degli Antichi Volgari Italiani, impresa individuale molto artigianale che dal 1998, quando è arrivata in rete la banca dati dell'OVI, si fonda per larga parte sulla stessa e sulle voci via via edite del TLIO. Azioni

Attività da svolgere Redazione del Tesoro della Lingua Italiana delle Origini (TLIO), con pubblicazione online delle voci via via redatte, per circa 1000 voci nuove, fino ad uno stato di avanzamento di circa 20.000 voci complessive. Revisione e aggiornamento di circa 2000 voci già pubblicate. Sviluppo della banca dati testuale di riferimento (Corpus OVI dell'Italiano antico), con l'inserimento di nuovi testi e, soprattutto, con il proseguimento della lemmatizzazione (sostanzialmente completa per quanto riguarda le tabelle lemmi-forme, deve essere ampliata per quanto riguarda le occorrenze esplicitamente lemmatizzate). Sviluppo del software lessicografico, in vista di nuove versioni di GATTO, di GattoWeb, del software di pubblicazione online del TLIO e di un nuovo software per la compilazione del TLIO stesso. (Previsione da rivedere in corso d'anno al momento dell'attivazione del finanziamento FIRB).

Punti critici e azioni da svolgere Cfr. quanto scritto alla pagina "Stato di avanzamento".

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Competenze linguistiche (lessicografia italiana, storia della lingua italiana, grammatica storica italiana), filologiche e informatiche (in particolare nel campo dell'informatica umanistica).

Strumentazione PC in rete interna. Biblioteca dell'Accademia della Crusca.


Tecniche di indagine Per la redazione del TLIO: esame dei testi inclusi, indicizzati e lemmatizzati nei corpora dell'OVI, con uso dei lessici e degli strumenti di ricerca linguistica e lessicografica in genere. Per la lemmatizzazione dei corpora (banche dati testuali): esame dei testi, con uso dei lessici e degli strumenti di ricerca linguistica e lessicografica in genere. Per l'implementazione dei testi delle banche dati: ricerca bibliografica e filologica (esame delle edizioni, solo eccezionalmente allestimento delle stesse). Elaborazione del software lessicografico attraverso la discussione dei problemi fra personale umanistico (lessicografi, linguisti e filologici, competenze variamente sommate nelle stesse persone) e personale informatico.

Tecnologie A parte i normali software d'uso (dai sistemi operativi ai programmi di scritura) l'OVI fa uso di software lessicografico di propria produzione e sviluppo (GATTO e GattoWeb).

Collaborazioni (partner e committenti) Il lavoro è interamente svolto dall'OVI. A vario titolo si collabora o si è collaborato con l'Accademia della Crusca (Lessicografia della Crusca in rete e Centro informatico OVI-Crusca), con le Università di Chicago, Notre Dame e Reading (ItalNet), con dottorati di ricerca italiani (stages presso l'OVI), con l'Università di Firenze (Centro di Alta formazione CLIEO), con l'Archivio di Stato di Prato (banca dati dell'Archivio Datini).

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate (1) Progetto FIRB "Il Vocabolario Storico Italiano - Tesoro della Lingua Italiana delle Origini per gli studi sull'italiano nel mondo (con particolare riguardo agli studi sulla lingua dei grandi autori delle Origini e antica in genere), e per l'italiano nella competizione fra le grandi lingue online. Rafforzamento dell'impresa del TLIO online (con la banca dati dell'italiano antico) in ambito nazionale e internazionale", triennale, approvato per un costo complessivo di euro 525000, e con un contributo complessivo di euro 415500 di cui euro 255500 per attività di ricerca, ed euro 160000 per contratti con giovani ricercatori e/o con ricercatori di chiara fama internazionale. Il progetto ha come unica unità di ricerca l'Istituto OVI, ed è stato rimodulato il 28 gennaio 2009. (2) È in fase di presentazione un progetto congiunto con l'Accademia della Crusca e altri in risposta al bando POR Toscana 2007-2013 (Bollettino Ufficiale Regione Toscana 51, 2008), per il finanziamento di due posti di ricercatore a tempo determinato per tre anni. (3) È in fase di costituzione e di presentazione del progetto (scadenza 9.02.2009) una unità di ricerca OVI (resp. Dr. Paolo Squillacioti) nell'ambito del PRIN 2008 "L'affettività lirica romanza: lemmi e temi" (Roma La Sapienza, Prof. Roberto Antonelli); progetto di costituzione e lemmatizzazione di un corpus informatizzato della poesia lirica del Due e Trecento (in collaborazione con l'Unità di Siena, Prof. Lino Leonardi) e di redazione di un volume sul lessico lirico medievale, per un costo complessivo di 75.000 euro.

Finalità

Obiettivi Portare avanti la redazione del TLIO, e progettare il vocabolario storico italiano generale che gli deve far seguito. Esercitare in nome del CNR una funzione di istituzione permanente di "Lessicografia istituzionale", rivolta alla ricerca scientifica in campo lessicografico (e dell'informatica applicata alla lessicografia). Nel 2009, redazione di 1000 nuove voci del TLIO, incremento della banca dati dell'italiano antico, sviluppo della lemmatizzazione, sviluppo di GATTO 4 e avvio dello sviluppo prototipo di un nuovo software per la pubblicazione del TLIO online (sostitutivo di quello attuale). (Gli obiettivi saranno ridefiniti in corso d'anno al momento della disponibilità del finanziamento FIRB 2006 rimodulato a gennaio 2009).

Risultati attesi nell'anno Stato di avanzamento del Tesoro della Lingua Italiana delle Origini (TLIO) di circa 20.000 voci (intorno al 40% dell'opera completa), perfezionato nell'intero corpus delle voci. Stato di avanzamento delle banche dati testuali (Corpus OVI dell'Italiano antico e Corpus TLIO aggiuntivo), con incremento di testi e ampliamento delle lemmatizzazioni). Nuove versioni dei software GATTO e GattoWeb. Prototipo di un nuovo software di compilazione e di pubblicazione online del TLIO. (Previsione da rivedere in corso d'anno al momento dell'attivazione del finanziamento FIRB).

Potenziale impiego - per processi produttivi I prodotti possono essere impiegati dalle case editrici per l'elaborazione di dizionari (si conosce tale uso, che non è verificabile se non attraverso l'eventuale citazioni, trattandosi di strumenti aperti online).


- per risposte a bisogni individuali e collettivi TLIO e banche dati rispondono alle esigenze della ricerca storico-linguistica e filologica sull'italiano antico. Assicurano la presenza e diffusione in rete di un lessico di ricerca (non di un semplice dizionario dell'uso), utilizzato di fatto anche da un pubblico più ampio dei soli specialisti e su scala internazionale. Il software GATTO è usato da studiosi e studenti per l'elaborazione di ricerche linguistiche e per assistenza all'edizione filologica di testi. Moduli

Modulo: Vocabolario Storico Italiano Istituto esecutore: Istituto opera del vocabolario italiano Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Ontologie per il diritto e trattamento automatico del linguaggio giuridico Dati generali

Progetto: Lingua italiana: strutture, modelli, archivi testuali e repertori lessicali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: DANIELA TISCORNIA Temi

Tematiche di ricerca • Analisi del lessico e dei concetti giuridici nel contesto normativo europeo, creazione di reti semantiche descrittive

della conoscenza giuridica e di lessici terminologici multilingue relativi a domini giuridici specifici. Sviluppo di modelli ontologici formalizzati dei concetti giuridici fondamentali e di ontologie specifiche di dominio.

• Comparazione di modelli concettuali di normative nazionali/europee. • Sviluppo di strumenti informatici basati sulle tecniche di trattamento automatico del linguaggio per l'estrazione di

concetti, la strutturazione semi-automatica, il riconoscimento semantico. • Sviluppo di tecniche di allineamento, confronto e mappatura di lessici non strutturati e tesauri, per funzioni di

cross-language e cross-collection retrieval. • Sviluppo di strumenti per la classificazione automatica e la marcatura semantica dei documenti giuridici.

Stato dell'arte La definizione di standard (documentari e semantici) per migliorare la fruizione delle informazioni è oggetto della Dirett. EU 2003/98 (riutilizzo dei dati del settore pubblico),del Semantic Web,del Programma EU su e-Participation e del nuovo FP7. Previsto dal piano nazionale di e-government, il progetto Normeinrete fa parte di iniziative sviluppate nella comunità scientifica ed Istituzionale Legal XML. Iniziative volte alla creazione di lessici standard sono:WordNet (Princeton University),EuroWordNet,FrameNet,VerbNet.Ontologie giuridiche sono state sviluppate all'interno di: LegOntoWeb in OntoWeb (FP5), Ontologie du Droit in Francia, FOLaw (Univ. Amsterdam). Iniziative nazionali nel settore della traduzione giuridica,cui la commessa partecipa, sono REI (Rete di eccellenza dell'Italiano Istituzionale) il Dottorato sulla Fattibilità delle leggi presso il Dip.di Dir.Pubbl. dell'Università di Genova e il Dottorato sull'intermediazione linguistica per giuristi presso l'Ist.di Dir. Comparato dell'Università di Torino. Specifiche attività della commessa relative alla mappatura fra thesauri sono oggetto di incarichi conferiti da OPOCE, l'Ufficio Pubblicazioni della Commissione Europea. Azioni

Attività da svolgere Due sono gli obiettivi generali 2009-2011 della commessa: a)la messa a punto di strumenti e metodologie per la creazione di risorse lessicali ontologicamente fondate;b) l'applicazione di tali risorse nella gestione dell'informazione giuridica per: ricerca concettuale e multilingue, supporto alla comparazione e traduzione giuridica; estrazione di conoscenza dai testi giuridici; monitoraggio dell'evoluzione dei significati; validazione nella gestione dei procedimenti amministrativi. Sul primo punto, la commessa nel 2009 raggiungerà l'obiettivo di aprire un punto di accesso web per la costruzione collaborativa di risorse semantiche e la navigazione aperta delle stesse. All'interno di tale iniziativa, si darà il via alla partecipazione al progetto mondiale Juripedia, dedicando un punto di appoggio (server) dell'Istituto. Altre iniziative sono: la creazione, in collaborazione con ILC-CNR di un frameNet inglese-italiano specializzato per il diritto; la sperimentazione di strumenti automatici di NLP per l'estrazione di strutture logiche dalle definizioni legislative, la classificazione funzionale delle disposizioni attraverso meccanismi di learning. Sul secondo aspetto si svilupperà nell'ambito del progetto Europeo Voices una metodologia di estrazione semantica e costruzione ontologica per l'implementazione di piattaforme di consultazione dei cittadini e valutazione dell'impatto normativo. Nell'ambito del progetto "Converging technologies" in collaborazione con l'Università di Torino e la Regione Piemonte, si svilupperanno moduli di integrazione semantica fra lessici ed ontologie giuridiche multilingue; si predisporranno modelli di consultazione e comparazione di concetti giuridici; si progetteranno modelli ontologici per la rappresentazione dei procedimenti e la verifica della compliance


Punti critici e azioni da svolgere I punti da sviluppare sono: • di tipo metodologico, fra gli altri:

• analisi logica del linguaggio giuridico • studio ed analisi delle tecniche definitorie • studio dei ruoli tematici legati a verbi di rilevanza giuridica • definizione di un modello dei procedimenti • definizione di un meta-standard per uniformare risorse lessicali

• di tipo applicativo:

• costruzione di ontologie • annotazione semantica • costruzione di corpora semanticamente annotati • definizione di algoritmi di mappatura e di apprendimento • definizione di pattern di descrizione dei contenuti

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine La proposta intende integrare competenze afferenti a tre Istituti del C.N.R. L'ITTIG dispone di lunga esperienza nel settore del trattamento dell'informazione giuridica e dell'analisi linguistica del diritto ed è coinvolto nelle iniziative istituzionali sugli standard per i dati pubblici. L'apporto di ILC (commesse 4 e 5 di questo progetto) fornisce strumenti di trattamento automatico del linguaggio, di analisi statistica e annotazione semantica.La collaborazion con ITSC sulla modellizzazione formale ha prodotto la definizione di un'ontologia formale per il diritto (Core Legal Ontology CLO).

Strumentazione

Tecniche di indagine Tecniche di machine learning e NLP saranno utilizzate nell'ambito delle attività di classificazione automatica di documenti giuridici e di estrazione delle informazioni rilevanti. Tali tecniche saranno analogamente impiegate per la costruzione bottom-up di ontologie e lessici giuridici, volti alla implementazione di metodologie avanzate di information retrieval, nonché alle attività di drafting legislativo multilingua e di mappatura fra tesauri.

Tecnologie Le principali tecnologie orientate al Semantic Web saranno la base per lo sviluppo software delle applicazioni previste (XML, RDF/OWL, SKOS)

Collaborazioni (partner e committenti) Commissione Europea, DG Information SocietyDip.di Scienze Giuridiche, di Filosofia, di Informatica.Univ. Torino -(CIRSFID), Univ. Bologna. - TIMAD, Univ. Catania - Istit. Filo. e Sociol.del Diritto, Univ. Milano. - Accademia delle Scienze di Praga - Univ.Leiden (NL), Istit. Dir. Costituzionale - Univ.Vienna, Istit. Dir.Costituzionale - Univ.Evora(P), Dip. Informatica - Univ.Sheffield, Dip.Informatica - Consiglio Reg. Toscana - Conferenza dei Presidenti deiConsigli RegionalIsituto Universitario Europeo (San Domenico di Fiesole)OPOCE - Office for Offical Publications of the European Communities (Lussemburgo)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate

Finalità

Obiettivi Si intende potenziare il ruolo delle tecnologie dell'informazione nel processo di revisione e semplificazione normativa, facilitando al cittadino l'accesso alle norme. È necessario un approccio interdisciplinare in cui interagiscano competenze del mondo del diritto, delle scienze cognitive, delle IT. Gli istituti CNR partecipanti hanno dato vita al gruppo ONTONOMOS, Gruppo Nazionale di Competenza su Ontologie del Diritto e loro Applicazioni, a cui collaborano Università e organismi pubblici.


Potenziale impiego - per processi produttivi L'esperienza nel settore dei progetti europei dedicati alla commercalizzazione delle informazioni pubbliche ha dimostrato la necessità, sia per i produttori di informazione che per i distributori (sia pubblici che privati) di disporre di un veicolo di comunicazione delle informazioni che superi le barriere linguistiche e raggiunga i contenuti


informativi al di là del testo. Strumenti semantici che consentano tali risultati costituiscono un valore aggiunto ed un arricchimento dei contenuti digitali. Nel settore dell'e-government,con particolare riferimento al tema dell'e-participation, la creazione di metodologie di conoscenza facilitata delle norme e di tecniche di miglioramento della produzione normativa costituisce un'obbietivo rilevante per una partecipazione effettiva dei cittadini alla società dell'Informazione.Negli sviluppi più recenti, l'uso delle ontologie per la rappresentazione dei processi produce risultati di grande efficacia per il controllo delle procedure amministrative e la valutazione della compliance nelle forniture di servizi finanziari e assicurativi ai cittadini da parte delle imprese. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Sono realizzabili strumenti che, utilizzando i risultati della commessa, siano in grado di garantire comunicabilità semantica fra ifornitori di informazione e accesso sostanziale alla conoscenza per gli utenti finali. Moduli

Modulo: Ontologie per il diritto e trattamento automatico del linguaggio giuridico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sistemi documentari per il diritto Dati generali

Progetto: Lessico giuridico e patrimonio giuridico italiano: tradizione, interpretazione, innovazione

Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: MARIO RAGONA Temi

Tematiche di ricerca • Aggiornamento degli archivi "DoGi" (Dottrina giuridica pubblicata nelle riviste italiane), "DoGiS" (Dottrina

Giuridica Straniera - Indici di riviste straniere) con accesso multilingue) e "DoGi-Opere collettanee" (dottrina giuridica pubblicata in opere collettanee).

• Realizzazione di un portale della dottrina giuridica, volto all'accesso dei diversi livelli di informazione giuridica bibliografica in un contesto multilingue.

• Valutazione qualitativa delle risorse giuridiche disponibili on line. • Realizzazione di un sistema informativo in tema di diritto alla tutela diplomatica e consolare per i cittadini

dell'Unione europea (progetto CARE).

Stato dell'arte Le tematiche descritte sono afferenti alla documentazione del diritto con tecniche informatiche. Le iniziative promosse da un lato costituiscono punto di riferimento per lo stato dell'arte a livello nazionale, dall'altro si confrontano con le corrispondenti iniziative a livello internazionale, nella convinzione che la condivisione di metodologie standard possa portare ad avanzamenti significativi delle ricerche in questo settore. Azioni

Attività da svolgere • Archivio DoGi (dottrina pubblicata sulle riviste giuridiche italiane): aggiornamento spogli con la produzione di

circa 16.000 nuove unità documentarie); messa a punto del reperimento della giurisprudenza e delle fonti normative presenti nell'Archivio DoGi che sono state oggetto di annotazioni o commento e recupero delle relative unità documentarie DoGi; implementazione di strumenti di e interrogazione multilingue (utilizzando i risultati oggetto della ricerca spontanea a tema libero "Verso una conoscenza reciproca e una integrazione degli ordinamenti giuridici europei attraverso strumenti di raccordo semantico").

• Archivio DoGi opere collettanee: continua lo spoglio delle opere collettanee e relativo inserimento delle unità documentarie prodotte. Pubblicazione in rete dei documenti del prototipo e del Catalogo delle Opere.

• DoGiS: aggiornamento dell'Archivio. • Portale della dottrina giuridica • Analisi per la realizzazione di collegamenti ipertestuali tra la dottrina e la legislazione citata nel documento

bibliografico, utilizzando lo standard URN-NIR. • Studio di un possibile sistema di classificazione automatica per le risorse dottrinali giuridiche disponibili online.

Stato dell'arte dei sistemi di information retrieval multilingue e analisi delle componenti sia tecniche che giuridiche per l'accesso all'informazione giuridica redatta in più lingue.

• Classificazione DoGi in inglese. • Implementazione delle voci di classificazione DoGi in inglese (sistematici), attraverso un lavoro di traduzione e

interpretazione giuridica attraverso il supporto di strumenti terminologici e concettuali multilingue. • Progetto CARE: raccolta della documentazione giuridica rilevante e realizzazione di un sistema informativo

relativo alla tutela diplomatica e consolare dei cittadini europei. • Percorsi informativi. • Ideazione e realizzazione di percorsi informativi per l'utenza di DoGi. In particolare si intende costruire stringhe

di soggetto su argomenti specifici sulla base delle queries degli utenti DoGi. Tali stringhe non hanno un collegamento con le voci di classe ma verranno costruire ex novo sulla base dei bisogni informativi.

• Conferenza internazionale "Law via the Internet" 2008: predisposizione e pubblicazione degli atti. • Sito web dell'Istituto: aggiornamento costante.

Punti critici e azioni da svolgere Archivio DoGi: si segnala, come già fatto nei precedenti anni, la criticità della sopravvivenza dell'archivio. Sarebbe necessario assicurare un finanziamento "stabile" che consenta di concentrare nel miglioramento dei contenuti della banca dati le risorse umane, oggi invece in gran parte impegnate nel reperimento di finanziamenti. Detto


finanziamento consentirebbe altresì di tornare ad offrire DoGi gratuitamente agli utenti, come fortemente auspicato dalla comunità dei giuristi e dai movimenti mondiali ("Free Access to Law Movement"). Il "Portale della dottrina giuridica" rappresenta la parte di sviluppo scientifico anche per l'archivio DoGi, che avrebbe molti benefici dai risultati conseguibili da questo progetto. La possibilità di veder finanziato il progetto costituirebbe un importante salto di qualità per la documentazione dottrinale giuridica.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine conoscenze giuridiche, linguistiche, informatiche, documentarie e semantiche

Strumentazione personal computer e server


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Camera dei Deputati; Consiglio di Stato; ILC-Cnr - Pisa; ISTI-Cnr - Pisa; URP-Cnr - Roma; Dipartimento Elettronica e Telecomunicazioni e Dipartimento Sistemi e Informatica dell'Università di Firenze; Facoltà di Giurisprudenza e TIMAD dell'Università di Catania; Regione Toscana; Consiglio Nazionale del Notariato; Consorzio CASPUR - Roma; Associazione Essper; Free Access to Law Association; Praxis Sviluppo Informazione spa - Bologna; Fondazione Rinascimento Digitale - Firenze; Free Access to Law Movement; Commissione europea; Università di Vienna; Università di Leida; Istituto italiano di scienze amministrative.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Archivio DoGi: continuare i contatti con ulteriori organismi pubblici (Presidenza della Repubblica, Biblioteca del Senato della Repubblica, Consiglio di Stato, Corte dei Conti) per costituire un pool di istituzioni a supporto dell'archivio; contatti con case editrici per la diffusione commerciale.

Finalità

Obiettivi • Approfondimento dei metodi e delle tecniche per la documentazione giuridica. • Distribuzione telematica della ricca documentazione dottrinale raccolta che si presenta, nel suo genere, come

unica in Italia. • Adeguamento agli standard documentari internazionali (OAI, DC, SICI, DTD) e alle più recenti tecnologie

informatiche (XML). • Miglioramento qualitativo dei siti web giuridici. • Accesso libero e gratuito all'informazione giuridica.

Risultati attesi nell'anno • Archivio DoGi: produzione di circa 16.000 documenti; • Archivio DoGiS • Archivio DoGi opere collettanee • Portale della dottrina giuridica: messa in linea anche solo a livello sperimentale; avvio di collaborazioni con data

provider di materiale bibliografico. • Progetto CARE: realizzazione delle attività (raccolta della documentazione, realizzazione di un prototipo della

banca dati, report) • Valutazione qualitativa delle risorse giuridiche disponibili on line: determinazione dei criteri e loro pubblicità. • Sito web dell'Istituto: completamento del data base delle pubblicazioni ITTIG dal 1968. • Atti della Conferenza internazionale "Law via the Internet" del 2008

Potenziale impiego - per processi produttivi • Editori tradizionali e telematici • imprese commerciali pubbliche e private • organismi nazionali e internazionali - per risposte a bisogni individuali e collettivi Conoscenza avanzata delle fonti del diritto da parte degli operatori di settore (legislatori, giudici, professionisti), dei docenti e studenti universitari, dei cittadini e delle imprese a livello nazionale e comunitario.


Moduli

Modulo: Sistemi documentari per la dottrina giuridica Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sistemi documentari per l'armonizzazione delle norme nazionali di tutela dei diritti dei cittadini europei

Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sistemi di supporto all'attività degli organi legislativi e della Pubblica Amministrazione Dati generali


Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: ROSA MARIA DI GIORGI Temi

Tematiche di ricerca • Lo sviluppo della società dell'informazione e il suo impatto sui cittadini, le imprese, le pubbliche

amministrazioni. • Analisi sociologica panorama nazionale e internazionale sul divario digitale • Analisi delle strategie di Governi e organismi internazionali in materia di innovazione dei processi amministrativi

e di trasparenza degli atti. • Sviluppo di software per applicazioni nei sistemi informativi pubblici (normativa, giurisprudenza, dottrina, atti

amministrativi). • Analisi delle tecniche legislative e predisposizione di sistemi informatici di aiuto alla redazione delle norme, con

particolare riferimento al controllo di qualità delle norme e dei procedimenti amministrativi. • Realizzazione di portali tematici per la PA. • Attività di formazione per i pubblici funzionari sui temi della semplificazione amministrativa. • Attività di consulenza ad Enti pubblici e aziende per l'avanzamento della cultura dell'innovazione. • Attività di formazione per le categorie sociali. • Analisi profili d'utente e predisposizione di sistemi informativi user-oriented in Internet con particolare attenzione

alla rappresentazione della conoscenza giuridica, dell'accessibilità e dell'usabilita

Stato dell'arte Le amministrazioni pubbliche, le aziende e le categorie sociali si confrontano con il rapido evolvere della società dell'informazione senza possedere gli strumenti adatti per coglierne appieno le potenzialità. La cultura della semplificazione amministrativa e dell'uso delle nuove tecnologie all'interno dell'organizzazione degli uffici pubblici e nella predisposizione di servizi per i cittadini e le imprese è ancora molto in ritardo. Negli ultimi anni il principio di trasparenza amministrativa, che impone alle P.A.di rendere la propria documentazione accessibile ai cittadini, si è spesso scontrato con la difficoltà di questi ultimi nel comprenderne il significato. I motivi che ostacolano la comprensione della legge da parte dei cittadini sono spesso replicati se non amplificati in campo amministrativo. Colmare questo gap mettendo a disposizione della PA gli strumenti tecnologici adatti per attivare processi innovativi sia nella fase della predisposizione delle norme e degli atti amministrativi, sia nella fase della loro messa a disposizione degli utenti è compito complesso, ma necessario per una reale innovazione della PA. Azioni

Attività da svolgere Si prevede di proseguire nelle attività della commessa con particolare attenzione allo sviluppo di standard per la redazione di atti amministrativi (procedimenti, delibere, regolamenti) per la semplificazione dell'attività amministrativa a livello di organi centrali dello Stato e di enti locali, in collaborazione con ministeri, regioni, comuni e comunità montane. Molto intensa sarà l'attività di formazione sia in collaborazione con altri enti pubblici, che richiedono alla commessa molti corsi, sia all'interno di corsi universitari, master e dottorati. Si svilupperà ulteriormente l'attività connessa alla predisposizione di portali pubblici applicando a tali sistemi gli standard predisposti all'interno del progetto Norme in Rete. Si prevede un'intensa attività nell'ambito dei diversi progetti europei cui la commessa partecipa, sia in materia di standard e di trattamento del linguaggio giuridico, si di natura più espressamente politico-sociologica nell'ambito di progetti per l'integrazione europea e per la e-democracy e per la e-parteciaption.


Punti critici e azioni da svolgere Azioni per il reclutamento di giovani ricercatori anche nell'ambito dello spin-off TECNODIRITTO (2007)realizzato con il contributo di alcuni ricercatori senior della commessa. Attività di raccordo con Enti e soggetti privati per l'affermazione della cultura dell'innovazione per cittadini e imprese. Acquisizioone di fondi per la predisposizione dei necessari corsi, anche in modalità teledidattica, in collaborazione con REnti, Ministeri, CNIPA e Regioni.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Competenze interdisciplinari di tipo giuridico, sociologico, informatico, in particolare:documentazione giuridica automatica, con riferimento alle banche dati giuridiche di tipo normativo, dottrinario e giurisprudenziale; sistemi di information retrieval intelligente; legistica; analisi del linguaggio giuridico; rappresentazione della conoscenza giuridica;sociologia e scienza della comunicazione.

Strumentazione personal computer e server aule telematiche per la formazione

Tecniche di indagine L'attività della commessa si svolge in stretta collaborazione fra ricercatori che hanno competenze di tipo informatico e ricercatori di formazione giuridica, sociologica o di scienze della comunicazione. La predisposizione di portali Internet o di banche dati accessibili ai cittadini presuppone l'intreccio di competenze anche con linguisti e esperti dei vari settori giuridici di riferimento. Le attività si svolgono in stretto raccordo con i funzionari pubblici o i soggetti economici o sociali che dovranno usufruire dei sistemi predisposti all'interno della commessa. Tali soggetti usufruiscono della consulenza dei ricercatori della commessa stessa anche per avere supporto nella predisposizione di progetti o di studi di fattibilità per lo sviluppo di sistemi orientati all'innovazione. La modalità di lavoro sono varie e tra queste il lavoro cooperativo in rete, usufruendo di aree riservate in cui scambiare idee e soluzioni. Strumenti essenziali del lavoro sono i piani strategici e piani di indirizzo predisposti dagli enti pubblici che vengono analizzati e adattati alle esigenze dei vari soggetti che intendono usufruire di fondi pubblici per sviluppare sistemi innovativi e/o portali.

Tecnologie OWL, XML, RDF


Collaborazioni (partner e committenti) Camera dei Deputati Senato della Repubblica Ministero della Giustizia CNIPA (Centro Nazionale per l'Informatica nella PA) Assessorato all'Organizzazione e ai Sistemi Informativi della Regione Toscana Assessorato alla Partecipazione e ai Rapporti con il Consiglio Regionale della Toscana Assessorato alle Politiche Sociali della Provincia di Pistoia Rete Telematica Regionale Toscana Consiglio Comunale di Firenze Consiglio Regionale dell'Umbria Consiglio Regionale della Toscana Consiglio Regionale della Campania Consiglio Regionale della Basilicata Consiglio Regionale della Sardegna Consiglio Regionale del Molise Prefettura di Firenze Prefetture della Toscana Consiglio Territoriale dell'Immigrazione della Provincia di Firenze Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni - Facoltà di Ingegneria - Firenze Dipartimento Istituzioni, Impresa e Mercato "A. Cerrai", Facoltà di Scienze Politiche - Pisa Dipartimento di Scienza della Politica, Facoltà di Scienze Politiche - Pisa Facoltà di Giurisprudenza - Perugia Facoltà di Scienze Politiche - Firenze Dottorato Telematica e Società dell'Informazione dell'Università degli Studi di Firenze Ministero dell'Interno della Repubblica Italiana Senato federale del Brasile URP/CNR - Roma IIT/CNR -Pisa ANCI, URPT, UNCEM, ANCITEL

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Partecipazione a Progetti europei in materia di sviluppo della società dell'informazione considerate le competenze di natura informatica, giuridica, sociologica e linguistica presenti all'interno della commessa. Sviluppo dei rapporti con le Regioni italiane per la firma di convenzioni volte all'applicazione degli standard Norme in rete ai vari corpus normativi. Intensificazione delle attività con i Ministeri per l'applicazione dei software specialistici sulle norme alla documentazione di propria competenza con particolare attenzione alla realizzazione di portali specialistici al servizio degli utenti.

Finalità

Obiettivi • Fornire sistemi informativi (per le norme e gli atti amministrativi) per le pubbliche amministrazioni, i cittadini e

le imprese utilizzando gli standard realizzati dall'Istituto e già adottati da alcune PA. • Offrire consulenza agli enti pubblici per l'attivazione dei processi di semplificazione amministrativa e di

trasparenza, supportando gli stessi nella predisposizione di sistemi per i cittadini e le imprese, oltreché per i pubblici funzionari, adottando gli strumenti predisposti dal mondo della ricerca in materia di analisi del linguaggio, studio del profilo di utente e accessibilità e usabilità dei sistemi.

• Creare percorsi formativi, utilizzando anche la teledidattica, per operatori delle PA, delle categorie sociali e delle associazioni di cittadini e utenti.

Risultati attesi nell'anno Proseguimento delle attività, coinvolgimento e formazione di giovani ricercatori. Predisposizione di corsi di aggiornamento per le prefetture, Aggiornamento degli URP degli Enti toscani per giungere ad un portale unico delle PA toscane. Piano di comunicazione e corsi di aggiornamento per l'uso del POrtale PAESI sull'immigrazione realizzato nel corso del 2006-2007 in collaborazione con Regione Toscana e Prefettura di Firenze. Applicazione del sistema Norme in Rete al corpus normativo della regione Toscan, Campania, Basilicata e Sardegna. Sviluppo di sperimentazioni di trattamento del linguaggio naturale con ontologie in materia di immigrazione. Elaborazione e realizzazione della fase di prototipo di un sistema di KM per i regolamenti e le procedure del CNR, e delle norme di riferimento.


Potenziale impiego - per processi produttivi • Processo di formazione delle norme nazionali e regionali: progetto iter parlamentare, pubblicazione e diffusione

in rete. • Processo di unificazione dei procedimenti fra le varie amministrazioni pubbliche; • Processo di comunicazione fra PA e cittadino su modalità tempi e metodi di erogazione dei servizi; • Processo di erogazione di servizi delle PA per via telematica - per risposte a bisogni individuali e collettivi

• Bisogno informativo sul funzionamento della PA e l'erogazione dei relativi servizi • Bisogno informativo in merito alle norme che regolano la vita sociale dello Stato e degli enti locali.

• Bisogno di interazione con la pubblica amministrazione per via telematica (sportello virtuale) Moduli

Modulo: La cultura della Rete per il Governo, la democrazia e la partecipazione Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: La rappresentazione delle norme per l'interoperabilità a livello nazionale ed internazionale


Modulo: Controllo di qualità e valutazione dei testi normativi e amministrativi Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Produzione, conservazione e trasmissione digitale della cultura giuridica italiana Dati generali


Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: COSTANTINO CIAMPI Temi

Tematiche di ricerca • Analisi della struttura degli atti amministrativi. • Software di simulazione di atti giudiziari a fini didattici. • Digitalizzazione di patrimoni documentari di particolare interesse storico-giuridico.

Stato dell'arte Si tratta di ricerche ancora nello stadio preliminare, ma che allo stato attuale non sono in grado, spesso a causa della riduzione del personale, verificatasi negli ultimi anni, di dar luogo ad una commessa che rispetti i parametri minimi definiti dal consiglio di amministrazione del CNR. Su queste tematiche tuttavia è in corso un'attività di formazione di giovani ricercatori, in attesa che possano essere adeguatamente finanziate. Azioni




Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) TIMAD Università di Catania, Centro interuniversitario per l'informatica romanistica, Scuola di formazione magistrati presso il Tribunale di Napoli, URSIA presso la Corte di appello di Catania

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Partecipazione a Progetti europei in materia di sviluppo della società dell'informazione considerate le competenze

di natura informatica, giuridica, sociologica e linguistica presenti all'interno della commessa. • Sviluppo dei rapporti con le Regioni italiane per la firma di convenzioni volte all'applicazione degli standard

Norme in rete ai vari corpus normativi. • Intensificazione delle attività con i Ministeri per l'applicazione dei software specialistici sulle norme alla

documentazione di propria competenza con particolare attenzione alla realizzazione di portali specialistici al servizio degli utenti.

Finalità

Obiettivi Formazione di giovani ricercatori. Gestione infrastrutture di interesse comune alle altre commesse.



Potenziale impiego - per processi produttivi Al momento si tratta di formare una classe di giovani ricercatori che siano in grado nei prossimi anni, insieme ai ricercatori più anziani, di sviluppare alcune commesse di sicuro interesse all'interno delle tematiche del Dipartimento. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Si tratta di tematiche di ricerca di cui da tempo si avverte l'esigenza, e che con un'adeguata formazione, si prevede possano dare adeguati risultati. Moduli

Modulo: Produzione, conservazione e trasmissione digitale della cultura giuridica italiana



Metodi per l'analisi e l'interpretazione del lessico giuridico anche in tema di diritti fondamentali della persona Dati generali


Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: PAOLA MARIANI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca della Commessa, analiticamente descritte all'interno delle schede relative a ciascuno dei tre Moduli a essa afferenti, attengono ad alcuni tra gli aspetti centrali del Progetto di riferimento (IC.P06), in quanto hanno per oggetto: a) la documentazione del "Lessico giuridico italiano" (dalle origini ai giorni nostri) nella prospettiva della realizzazione di un vero e proprio "Dizionario storico della lingua giuridica italiana", consultabile in Internet e contenente i termini estratti dai testi più significativi (sovente, assai rari) di legislazione dottrina e prassi; b) l'elaborazione - nell'analisi delle problematiche inerenti all'interpretazione e applicazione delle norme - di nuove forme d'approccio, in cui confluiscano i più recenti apporti metodologici e tecnologici della Scienza cognitiva e dell'Intelligenza Artificiale; c) la riflessione - fondata su una scrupolosa ricerca documentaria, costantemente aggiornata e resa disponibile in Rete - sui "Diritti fondamentali della persona" nell'era tecnologica.

Stato dell'arte L'attività di ricerca, così come articolata nella presente proposta di Commessa, tende a collocarsi in un contesto scientifico in cui siano presenti come riferimenti essenziali: a) il riconoscimento dell'esigenza di tutelare, conservare e trasmettere il patrimonio giuridico italiano; b) la consapevolezza dell'importanza della tradizione, ma insieme anche dell'incidenza - nell'ambito dell'interpretazione e dell'applicazione delle norme giuridiche (e, quindi, per i teorici come per gli operatori del diritto) - dell'innovazione tecnologica in atto; c) infine, l'attenzione ai "Diritti fondamentali della persona", considerati nella loro imprescindibile centralità all'interno di ordinamenti giuridici positivi orientati all'integrazione e all'unificazione, ma insieme scossi da un progresso scientifico sempre più incalzante e imprevedibile. Azioni

Attività da svolgere • Per l'Indice semantico dovrà essere incrementata l'attività di redazione in modo da far conoscere agli utenti una

quantità sempre maggiore di significati e particolarità del linguaggio giuridico italiano. Dovrà essere sperimentato l'applicativo software per la facile ed esaustiva consultazione dell'Indice on-line. Tale programma già in fase avanzata di costruzione costituirà l'interfaccia d'interrogazione per gli utenti secondo modalità 'user friendly'.

• Gestione e integrazione dei diversi Archivi della Banca dati VIPD. Si prevede l'aggiornamento e l'immissione di numerosi documenti (vedi Modulo)

• Il modello prototipale di "sistema intelligente integrato" attualmente comprende gli strumenti per la creazione, gestione e interrogazione sia delle "basi di conoscenza", sia delle "basi di dati" (interne) a esse collegate, oltre a una serie di strumenti complementari. Intorno a questo nucleo essenziale dovranno essere previste ulteriori funzionalità, relative, soprattutto, alla migliore fruizione del sistema da parte del comune cittadino come utente medio non specializzato (ma comunque fornito di conoscenze giuridiche di base).


Punti critici e azioni da svolgere La Commessa ha registrato negli ultimi anni il pensionamento di alcuni ricercatori, in assenza di un ricambio di personale, a cui poter tramandare le conoscenze e l'esperienze acquisite dai ricercatori in tanti anni. Carenza di personale di supporto tecnico sia di alto che di basso livello. Questo implica la necessità di reperire finanziamenti per borse di studio e per incarichi di collaborazione. Sarebbero naturalmente auspicabili dei concorsi CNR. Altri punti critici nell'attività di ricerca relativa alla Commessa attengono al carattere d'accentuata interdisciplinarità del progetto complessivo. Non si tratta, infatti, soltanto di mettere insieme competenze diverse, ma anche d'elaborare congiuntamente idee e soluzioni specifiche, in una prospettiva sempre aperta ad accogliere e utilizzare le potenzialità progressivamente rese disponibili da un progresso tecnologico sempre più incalzante e incisivo. Sul piano organizzativo interno alla struttura stessa dell'Istituto, inteso come sede primaria della ricerca in oggetto, occorre riuscire a far convergere e confluire nella struttura dei singoli moduli del progetto i risultati più di recente acquisiti dai ricercatori impegnati in studi e applicazioni specialistiche settoriali, soprattutto di tipo linguistico-concettuale e informatico-telematico.


Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Rinviando alle schede dei singoli Moduli, ci si limita qui a citare solo alcune tra le collaborazioni principali: Opera del Vocabolario Italiano (OVI) del CNR, Firenze; Istituto di Linguistica Computazionale (ILC) del CNR, Pisa; Centro di Linguistica storica e teorica dell'Università di Firenze; Accademia della Crusca, Firenze; Archivio di Stato, Firenze; Dipartimento di Teoria e Storia del diritto dell'Università di Firenze; Biblioteca dell'Università di Pavia; Dipartimento di Diritto romano della Università "La Sapienza" di Roma; Facoltà di Giurisprudenza e TIMAD dell'Università di Catania; Istituto Superiore di Sanità, Roma; Centro di Bioetica dell'Università Cattolica, Roma; Ministero dell'ambiente, Roma; Regione Toscana; Provincia di Firenze; Cattedra di Filosofia del diritto dell'Università di Firenze; Dipartimento di Sistemi e Informatica (DSI) dell'Università di Firenze; "Research Center for Computers and Law" dell'Università di Vienna; "Institute of Applied Knowledge Processing" dell'Università di Linz.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si rinvia ai singoli Moduli.

Finalità

Obiettivi In dipendenza dell'articolazione della Commessa nei tre Moduli analiticamente descritti nelle schede corrispondenti, a livello generale - oltre all'organizzazione di seminari e incontri di studio, nonché alla pubblicazione di opere monografiche, contributi in riviste scientifiche di rilevanza nazionale e internazionale e relazioni a Convegni - gli obiettivi individuabili spaziano dalla redazione d'un congruo numero delle voci relative ai lemmi selezionati per il Dizionario storico della lingua giuridica italiana allo sviluppo di sistemi informatici avanzati, in grado di rappresentare e gestire la conoscenza giuridica attinente ad ambiti specialistici definiti. Per quanto, poi, specificamente riguarda la ricerca sui diritti fondamentali della persona nell'era tecnologica, a lato dell'attività di gestione e aggiornamento degli archivi elettronici già implementati in materia di Diritto alla vita, Diritto all'ambiente e Diritto alla salute, si ritiene essenziale la realizzazione di un "Thesaurus" plurilingue in cui sia raccolta e concettualmente organizzata la terminologia specialistica contenuta negli archivi sopra citati.

Risultati attesi nell'anno Si rinvia ai singoli Moduli.

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi I risultati della ricerca proposta nella Commessa possono risultare d'interesse non solo per gli studiosi della lingua italiana e, in particolare, della lingua giuridica, per gli storici e i teorici del diritto, nonché per gli operatori giuridici (considerati in senso ampio, includendo pertanto in tale categoria le varie figure di operatori professionali del diritto, quali i magistrati, gli avvocati, i notai e i pubblici funzionari), ma anche per gli stessi comuni cittadini, con riguardo


allo svolgimento di quelle loro attività che sono comunque diciplinate dall'ordinamento positivo e ai loro molteplici rapporti con la pubblica amministrazione centrale e locale. Moduli

Modulo: Indice semantico per il lessico giuridico italiano (IS-LeGI) Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Diritti della persona e nuove tecnologie Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Interpretazione delle norme e sistemi di estrazione e gestione della conoscenza giuridica



Diritto, politiche e formazione per lo sviluppo dell’amministrazione digitale e della società dell’informazione. Dati generali


Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: SEBASTIANO FARO Temi

Tematiche di ricerca Nella Commessa si approfondiscono le problematiche giuridiche ed istituzionali relative allo sviluppo dell'amministrazione digitale e della società dell'informazione ed inoltre gli strumenti e le metodologie della formazione universitaria e postuniversitaria in materia di informatica e diritto in ambito nazionale e transnazionale. Inoltre sono progettati ed implementati sistemi informativi avanzati per il trattamento ed il recupero di dati giurisprudenziali in ambito transnazionale. Ciascun modulo sviluppa specifiche tematiche puntualmente descritte nelle relative schede.

Stato dell'arte Le tematiche di ricerca cui si dedica la Commessa da decenni sono trasversali rispetto alle tradizionali partizioni del diritto (diritto amministrativo, costituzionale, civile, etc.). A queste tematiche hanno cominciato ad interessarsi solo negli ultimi anni anche altri centri di ricerca universitaria, ma normalmente in modo più settoriale. La Commessa, forte di consolidate competenze interdisciplinari, ha realizzato nel tempo opere significative. Tra le più recenti si segnalano: • la costituzione di un sistema informativo (primo nel suo genere) della normativa statale vigente in tema di

amministrazione digitale; • la realizzazione di corsi universitari e di molteplici attività di docenza in master e corsi di perfezionamento

postuniversitari sui temi dell'Informatica giuridica e del Diritto dell'informatica. • la realizzazione nell'ambito del progetto europeo Caselex, finanziato nel programma eContent, di una banca dati

della giurisprudenza delle Corti supreme degli Stati membri UE ed EFTA, unica nel suo genere in Europa. Azioni

Attività da svolgere v. schede dei singoli moduli.

Punti critici e azioni da svolgere La carenza di personale strutturato rappresenta il principale punto critico con riguardo allo svolgimento delle attività programmate (v. schede dei singoli moduli).

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Competenze nelle materie del diritto pubblico dell'informatica e dell'informatica giuridica. • Conoscenze tecniche nel settore della documentazione giuridica e dell'informatica giuridica.

Strumentazione Personal computers - Tecnologie Internet.

Tecniche di indagine • Tecniche di costruzione di banche di dati giuridici, di rappresentazione della conoscenza giuridica, di

classificazione dell'informazione e di utilizzo di metadati. • Tecniche di analisi d'impatto della regolamentazione e tecniche di valutazione dell'impatto normativo, come

codificate dalla specifica normativa statale.

Tecnologie • Standard di rappresentazione della conoscenza giuridica. • Schemi, Descrittori e Thesauri per la classificazione di norme giuridiche.


Collaborazioni (partner e committenti) • Collaborazione scientifiche con enti pubblici (in particolare Dipartimento Riforme e Innovazione della Presidenza

del Consiglio dei Ministri; CNIPA; FORMEZ) e Università (Firenze, Milano, Camerino, Benevento, Napoli – "L'Orientale", Modena).

• Collaborazione con le università e gli enti di ricerca che aderiscono alla rete LEFIS (www.lefis.org). • Collaborazione con la Commissione europea che finanzia il progetto Caselex. • Collaborazione con la provincia di Firenze che finanzia il progetto "Valutazione dell'impatto della normativa

vigente in tema di cooperazione amministrativa in rete e di procedimenti amministrativi in rete".

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Partecipazione al Bando Prin 2008 (vedi schede moduli 001 e 003). • Presentazione di proposte nell'ambito di programmi di finanziamento dell'Unione europea.

Finalità

Obiettivi Nel complesso, le molteplici attività di ricerca che si svolgono nella Commessa tendono in vario modo a sollecitare una nuova cultura giuridica e amministrativa, entro cui rispettivamente inquadrare sistematicamente e sviluppare il positivo impiego delle tecnologie dell'informazione della comunicazione, a fini di innovazione organizzativa e di sviluppo socio-economico.

Risultati attesi nell'anno • Conseguimento degli obiettivi previsti nel progetti Caselex e in quello di collaborazione con la provincia di

Firenze. • Partecipazioni a convegni e seminari nazionali ed internazionali. • Organizzazione di convegni e seminari. • Pubblicazioni scientifiche. • Attività di docenza. • Stipula di un accordo di collaborazione con l'Università di Benevento per l'organizzazione di un corso di seminari

in tema di "Diritto e nuove tecnologie". • Continuazione dell'attività di direzione e redazione della rivista "Informatica e diritto".

Potenziale impiego - per processi produttivi Lo sviluppo delle tecnologie dell'informazione nell'ambito pubblico ha significative ricadute nel tessuto economico-produttivo. Basti pensare al processo di semplificazione amministrativa, fondato sull'impiego esteso delle nuove tecnologie dell'informazione e della comunicazione, e ai vantaggi che ne derivano per il mondo delle imprese. Con riguardo al Modulo "Aspetti giuridici dei sistemi di sicurezza e dell'Identity management", i risultati della ricerca saranno di immediato utilizzo da parte delle industrie e delle imprese impegnati nella prototipazione e costruzione di sistemi tecnologici d'Identity Management. Il progetto Caselex si pone nel solco delle iniziative europee e nazionali per la promozione del riuso, anche a finalità commerciali, dei dati di fonte pubblica e apre nuove possibilità di sviluppi degli operatori del mercato europeo dell'editoria. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Gli studi e le ricerche in tema di amministrazione digitale e di sviluppo della società dell'informazione, e la realizzazione di sistemi informativi normativi e giurisprudenziali si prestano sia a supportare l'attività delle pubbliche amministrazioni, sia a garantire a chiunque (cittadini, professionisti, imprese) la conoscenza del diritto vigente. L'attività di studio, ricerca e formazione nelle materie d'interesse della Commessa intende rinnovare la cultura giuridica e rispondere alle necessità di conoscenza e di approfondimento sia delle istituzioni pubbliche che degli operatori privati (tutti chiamati ad assumere molteplici compiti per lo sviluppo dell'amministrazione digitale e della società dell'informazione), sia da parte dei cittadini, che vantano oggi nuovi diritti fondamentali della personalità. Moduli

Modulo: Studi e ricerche in tema di diritto pubblico dell'informatica Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sviluppo della formazione universitaria in tema di “Informatica giuridica” e “Diritto dell’informatica”.



Modulo: Aspetti giuridici dei sistemi di sicurezza e dell’Identity management Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Strumenti avanzati per l' armonizzazione dei sistemi giurisprudenziali e della didattica del diritto per l'integrazione europea



Sistemi, tecniche e metodi di acquisizione, trattamento ed analisi di dati di telerilevamento multidimensionali multirisoluzione Dati generali

Progetto: Multimodal and Multidimensional content and Media Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: STEFANO BARONTI Temi

Tematiche di ricerca La commessa si caratterizza sia per la collaborazione alla progettazione e alla realizzazione prototipale di sistemi ottici e strumentazione di acquisizione dati, che per lo studio e la messa a punto di metodologie d'indagine con l'utilizzo dei dati messi a disposizione da tale strumentazione o nel corso di esperimenti scientifici. Esempi in tal senso sono gli spettrometri e gli interferometri ad immagine che il gruppo di ricerca realizza e ha realizzato e le stazioni per la ricezione di dati sviluppate in passato. Per quanto riguarda le metodologie di indagine, esse sono volte essenzialmente all'estrazione di grandezze fisiche dai dati. Con tale obiettivo sono quindi affrontati vari argomenti di ricerca quali lo studio delle superfici con acquisizioni dati iperspettrali multiangolari; la fusione d'immagini multisensoriali multispettrali e multitemporali; l'analisi, elaborazione ed integrazione d'immagini da satellite. Sono inoltre sviluppate varie tecniche di elaborazione a supporto della ricerca su temi come la compressione dati, la stima della qualità e dell'informazione dei dati, lo sviluppo di tecniche di calibrazione e validazione, il filtraggio adattivo.

Stato dell'arte I temi di acquisizione e trattamento dei dati telerilavati sono essenziali nelle applicazioni arerospaziali, le quali, da sempre, costituiscono un fattore trainante della ricerca in ICT. In questo scenario, la commessa svolge sia attività di ricerca di base di alto livello, come testimoniato dalle pubblicazioni internazionali, sia sviluppo prototipale in linea con l'evoluzione della tecnologia, interagendo con le industrie e le agenzie spaziali internazionali. I principali progetti di ricerca sono finanziati da industrie aerospaziali (Selex Galileo, Carlo Gavazzi Space, SIRA) e da agenzie spaziali europee (ASI, ESA, CNES). La commessa si colloca all'avanguardia per la progettazione e la realizzazione prototipale di strumentazione iperspettrale (premio Vespucci Regione Toscana 2007). I risultati conseguiti nella compressione di dati iperspettrali sono i migliori che siano stati presentati in letteratura. L'algoritmo per la fusione di immagini sviluppato da IFAC è stato riconosciuto da IEEE come vincitore del Data Fusion Contest nel 2006. Un lavoro sulla qualità dei dati è stato premiato nel 2005 come miglior lavoro del 2004 su IEEE Geoscience Remote Sensing Letters.


Azioni

Attività da svolgere • Continuerà la definizione e la valutazione di nuovi parametri statistici finalizzati ad ottenere una stima della

qualità dei prodotti della fusione in mancanza di immagini di riferimento. In particolare si valuterà l'efficacia degli indici proposti su una casistica di dati significativi. Tali dati faranno riferimento ai sensori multispettrali avanzati ad alta risoluzione spaziale (IKONOS, QuickBird, SPOT e Pleiades).

• Si prevede la divulgazione dei risultati conseguenti allo sviluppo di metodi avanzati per la compressione di sequenze iperspettrali.

• Continuerà la validazione e il perfezionamento della procedura per l'identificazione di cambiamenti su dati multitemporali e per il riconoscimento di aree tessiturate su dati telerilevati. Ci si augura che ASI risponda quanto prima alla call for proposal su COSMO-Skymed in modo da poter inquadrare tale attività in un contesto progettuale.

• Essendo terminata la fase B del payload ALISEO (Aerospace Leap-frog Imaging Stationary interferometer for Earth Observation) sulla piccola missione MIOsat dell'Agenzia Spaziale Italiana col parere favorevole di ASI potranno iniziare le successive fasi C e D che riguardano la realizzazione dello strumento.

• Con l'avvio del Progetto MORFEO, dopo la fase preliminare di accquisizione dei dati da vari sensori, verranno condotte le seguenti attività che peraltro sono iniziate nel corso del 2008: • sperimentazione e valutazione delle tecniche di telerilevamento per la stima dello stato di umidità

superficiale del suolo mediante immagini multispettrali, multitemporali e multisensore unitamente a informazioni ausiliarie.

• valutazione delle potenzialità delle immagini da satellite ad alta ed altissima risoluzione spaziale ai fini della caratterizzazione dei fenomeni di frana e la generazione delle mappe di inventario.

Punti critici e azioni da svolgere Non si può che confermare quanto già evidenziato in passato e cioè che il problema principale nasce dal mantenimento del personale esterno (precario) impiegato nelle varie attività e in special modo operante allo sviluppo del sistema di formazione, acquisizione e trattamento di immagini iperspettrali ottiche di telerilevamento, di tipo interferometrico operante da satellite e che è strategico mantenere in quanto è stato finanziato da ASI. Anche nell'ambito del progetto MORFEO l'attività è limitata dalla carenza di risorse umane per la ricerca: in tal senso è prevista l'acquisizione di di 1 dottorato di ricerca ed eventualmente di un assegno di ricerca. (Come previsto è stato già bandito e attivato un contratto a tempo determinato di un anno, eventualmente rinnovabile) Infine, la complessità dell'attività di realizzazione e sviluppo del software del payload da montare su satellite, richiede da parte del CNR la disponibilità di strutture e personale che, al momento attuale, sono da verificare. Nell'anno 2008 saranno intraprese iniziative per chiarificare tale disponibilità.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Alla commessa fanno capo fisici, ingegneri, geologi e tecnici elettronici specializzati. Si è quindi in grado di operare sia sullo studio fisico dei fenomeni che sulla realizzazione di sistemi e procedure per la loro caratterizzazione. La componente applicativa rappresenta un punto di forza per l'individuazione degli obiettivi e la validazione di ciò che si studia e si realizza. Le conoscenze, patrimonio della commessa, riguardano l'ottica, l'elettronica, la meccanica di precisione, la teoria dei segnali e delle immagini, l'ingegneria dell'informazione, il telerilevamento per l'osservazione della terra. Il progetto e la realizzazione di sistemi di acquisizione iperspettrali, dalla formazione del dato fino al suo processamento per l'utente con fini applicativi, rappresenta un'ottimo esempio della sintesi di tali conoscenze. La commessa ha le competenze per sviluppare i propri strumenti di lavoro, sia hardware che software, che, talvolta, più propriamente costituiscono uno dei prodotti dell'attività di ricerca. I risultati che riguardano la progettazione di strumentazione iperspettrale, la compressione,la fusione e la qualità di immagini sono all'avanguardia nel settore.

Strumentazione Le attività di ricerca della commessa necessitano di attrezzature specialistiche che sono disponibili nei laboratori di elettronica, di CAD ottici ed elettronici, di pacchetti specializzati per il trattamento di dati e immagini. Sono disponibili infrastrutture e laboratori presso il Parco di S. Rossore che consentono la conduzione di campagne di telerilevamento per la calibrazione e validazione di strumentazione aerospaziale. La Commessa dispone inoltre dello Spettrometro ad Immagine da Aereo VIRS-200 operante nel VIS-NIR, di spettrometri e telecamere da campo, e di una stazione Meteo, comprendente anche irradiometri solari. Tra gli strumenti sviluppati all'interno della Commessa vi sono: • sistemi di acquisizione dei dati meteorologici da satellite (Meteosat e NOAA), che sono stati progettati, realizzati

e resi attivi da oltre venti anni e che ancora costituiscono una grossa potenzialità della commessa in quanto fonti di dati interessanti a basso costo;

• strumentazione iperspettrale avanzata in forma prototipale, realizzata con fondi di ricerca esterni, con la quale si possono acquisire dati particolarmente interessanti anche per le attività di altri gruppi di ricerca.


Tecniche di indagine Con vari obiettivi sono stati e sono affrontati temi di ricerca quali lo studio e la caratterizzazione della superficie del territorio mediante acquisizione di dati iperspettrali, in particolare della vegetazione con dati multiangolari; l'analisi, elaborazione e l'integrazione d'immagini da vari sensori a bordo di satelliti, avendo come obiettivi specifici la valutazione di tali dati in progetti quali quelli concernenti il rischio di frana e l'identificazione di aree boschive oggetto di incendi. Nel perseguimento degli obiettivi sono state sviluppate sia strumentazione di acquisizione di immagini iperspettrali che metodologie di indagine e tecniche ausiliarie rivolte essenzialmente alla compressione, alla stima della qualità, alla calibrazione, alla correzione geometrica dei dati; all'estrazione di parametri di interesse geofisico; alla fusione d'immagini multisensoriali multispettrali allo scopo di incrementarne la risoluzione spaziale preservandone la qualità radiometrica. Lo sviluppo e la realizzazione di strumentazione innovativa per l'acquisizione di immagini da aereo e da satellite, e delle relative procedure di elaborazione, è uno dei punti di forza della commessa.

Tecnologie Per attuare le campagne di calibrazione e validazione dei dati acquisiti da aereo e da satellite, in concomitanza con le acquisizioni dei sensori, sono disponibili e vengono utilizzate le strumentazioni installate presso il Parco di S. Rossore. È stata sviluppata una metodologia originale che partendo dai dati grezzi, attraverso opportune elaborazioni, fornisce i dati calibrati in radianza al sensore e riflettanza e/o emissività e temperatura delle superfici osservate. Sono stati sviluppati algoritmi di fusione dati che tengono conto del modello del sensore e utilizzano un modello di iniezione dei dettagli per migliorare la qualità spaziale dei dati limitando le distorsioni radiometriche. Sono stati definiti indici di qualità innovativi per la caratterizzazione di dati multispettrali e iperspettrali. Si è definito un protocollo per la valutazione di qualità di immagini fuse. Si sono sviluppati algoritmi avanzati di compressione di dati particolarmente efficienti come rapporto di compressione. Il gruppo vanta una competenza pluriennale nel settore. È stato sviluppato una metodo che elaborando immagini multispettrali rivela le aree boschive che sono state oggetto di incendi.

Collaborazioni (partner e committenti) Oltre a numerose collaborazioni di ricerca, sia nazionali che internazionali (Univ. Tampere, Ecole Nationale Superieure des Mines de Paris, Grenoble Institute of Technology, Univ. Firenze, Siena, Bologna, Cassino, Napoli, Milano, Trento, IBIMET-CNR, IMAA-CNR, IRPI-CNR, IREA-CNR, IMATI-CNR. ..)la commessa, per le sue caratteristiche, si trova ad interagire attraverso convenzioni e contratti sia con industrie aerospaziali (Selex Galileo - ex Galileo Avionica, Carlo Gavazzi Space) che con agenzie spaziali (ASI, ESA, CNES), Enti pubblici (Comunità Europea - JRC, Dip. Attività Produttive, Dip. Ambiente della Regione Toscana, Istituto Geografico Militare, Ministero per i Beni e le Attività culturali, etc.), PMI (FlyBy, etc.).

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • ASI dovrebbe confermare la partenza di fase C e D di ALISEO (MIOSAT su Piccole Missioni). • ASI dovrebbe rispondere quanto prima alla call for proposal su COSMO-Skymed e per le quali sono state

proposte delle attività di ricerca. • ASI dovrebbe completare la valutazione di una proposta sulla compressione dati telerilevati presentata con CGS

nell'ambito dei progetti per lo Sviluppo Tecnologico • Stanno per essere presentate richieste di finanziamento nell'ambito dei bandi PRIN 2008. • È in fase di scrittura una proposta nell'ambito della call del POR (Program Oriented Research) emanata dalla

Regione Toscana che ha come oggetto la spettroscopia d'immagine con dati acquisiti da sensore iperspettrale avanzato (SIMGA di Selex-Galileo) e il trattamento di immagini telerilevate.


Finalità

Obiettivi Gli obiettivi della commessa sono fondamentalmente due. Il primo riguarda la collaborazione alla progettazione e alla realizzazione prototipale di strumentazione aerospaziale per l'acquisizione di dati ed immagini multidimensionali. Il secondo, di connotazione più prettamente metodologica, riguarda invece lo studio e lo sviluppo di strumenti, tecniche, metodi e procedure per: • Compressione di dati e immagini, in particolare iperspettrali; • Stima della qualità e del contenuto informativo dei dati; • Calibrazione e validazione dei dati grezzi; • Correzioni atmosferiche e geometriche; • Geocodifica delle immagini; • Valutazione della dimensionalità dei dati iperspettrali; • Fusione di immagini multispettrali e iperspettrali; • Filtraggio adattivo delle immagini; • Definizione di feature tessiturali e relative procedure di misura; • Definizione di metriche applicabili a dati multi/iper-spettrali. • Estrazione di parametri di interesse geofisico e applicativo. Le competenze esistenti all'interno della commessa consentono la realizzazione di entrambi gli obiettivi a partire dalla produzione dei dati con strumentazione prototipale fino al loro utilizzo per fini applicativi.

Risultati attesi nell'anno • Algoritmi per l'elaborazione di dati ottici satellitari pancromatici e multispettrali a medio/alta risoluzione in grado

di operare una compensazione dell'aliasing eventualmente presente nelle bande multispettrali. • Algoritmi per la valutazione di nuovi parametri statistici finalizzati ad ottenere una stima della qualità dei prodotti

della fusione in mancanza di immagini di riferimento. • Sviluppo di metodi avanzati per la compressione di sequenze iperspettrali, con riferimento all'allocazione ottimale

della distorsione nel caso con perdita e allo sviluppo di un metodo innovativo di compressione per dati calibrati nel caso senza perdita.

• Prime valutazioni sulle tecniche di telerilevamento per la stima dello stato di umidità superficiale del suolo mediante immagini multispettrali, multitemporali e multisensore unitamente a informazioni ausiliarie.

• Prime valutazoni sulle delle potenzialità delle immagini da satellite ad alta ed altissima risoluzione spaziale ai fini della caratterizzazione dei fenomeni di frana e la generazione delle mappe di inventario.

Potenziale impiego - per processi produttivi Come ben noto, le tecnologie spaziali si rivolgono alla realizzazione di strumentazione estremamente specializzata, tipicamente prototipale, e difficilmente hanno una ricaduta diretta in termini di produzione e di prodotti. In questo senso, conoscenza e dati scientifici sono i prodotti principali. Sono invece estremamente importanti le ricadute in termini di tecnologie abilitanti in vari settori, ICT in particolare. Basti pensare allo sviluppo di metodi ed algoritmi stimolato dai dati acquisiti dai sensori orbitanti. Non è raro il caso in cui la soluzione dei problemi fisici ha richiesto il potenziamento dei sistemi di calcolo, avvenuto tipicamente attraverso reti di calcolatori di grande potenza in ambienti di calcolo cooperativo sviluppati appositamente. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Numerose sono le potenziali ricadute applicative in campo sociale a partire dal controllo dell'ambiente e del territorio (monotoraggio e controllo di frane, incendi, alluvioni, atmosfera, vulcani, inquinamento marino, rilevamento delle discariche), nel settore dei beni culturali archeologia), nell'ottimizzazione delle risorse (agricoltura, controllo dei bacini, stima della copertura nevosa, stato di stress della vegetazione). Con il miglioramento delle caratteristiche dei sensori (risoluzione spaziale, spettrale e radiometrica) e dei sistemi di telerilevamento (tempo di rivisitazione, precisione di puntamento) tali ricadute dovrebbero essere sempre più interessanti. Con l'avvento dei satelliti ad altissima risoluzione spaziale, applicazioni precedentemente realizzabili solo con foto aeree sono oggi fattibili con immagini acquisite da satellite (catasto, modelli digitali del terreno). La risoluzione spettrale dei sensori dovrebbe in futuro permettere applicazioni concernente la rilevazione di materiali sempre più incisive (ad. es. rivelazione della presenza di amianto). Moduli

Modulo: Sistemi, tecniche e metodi di acquisizione, trattamento ed analisi di dati di telerilevamento multidimensionali multirisoluzione



Sicurezza ed identity management. Valutazione degli aspetti tecnici, giuridici, sociali ed etici di nuove tecnologie a supporto della “security” e della “safety” con particolare riferimento al riconoscimento biometrico e all’uso di RFID Dati generali

Progetto: Sicurezza Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: MARIO SAVASTANO Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca oggetto della presente commessa ricalcano le pressanti istanze provenienti da più settori della società per una maggiore attenzione verso i problemi connessi alla sicurezza e alle nuove tecnologie orientate ad essa. Partendo dall'assunto che le implicazioni più delicate per le nuove tecnologie per la sicurezza non concernono solo aspetti tecnici, le tematiche di ricerca approfondiranno ed aspetti sociali ed giuridici delle nuove tecnologie con particolare riferimento a quelle del contesto dell' "Identity Management" - indicata d'ora innanzi, l'acronimo "IM". Aspetti focali considerati dell'IM saranno le tecnologie biometriche per il riconoscimento e verifica di identità degli individui e l'uso di etichette "intelligenti" a radio-frequenza (RFID) per l'identificazione e localizzazione degli oggetti. In accordo con l'opinione di molti esperti del settore la commessa intende attribuire una forte importanza agli aspetti sociali, giuridici ed etici dell'IM in un contesto molto realistico di una popolazione che con l'aumento dell'età media necessiterà di opportuni azioni per usufruire a pieno di tecnologie destinate a divenire presto assolutamente di massa

Stato dell'arte Le tecniche di identificazione, seppure basate su tecnologie sempre più sofisticate, dovranno affrontare problemi concreti legati soprattutto alle stretta condivisione di aree legate alla tutela dei diritti degli individui e della privacy. Una mancanza di coordinamento fra istanze tecniche e sociali è già stata causa di forti perplessità da parte di alcuni settori dell'opinione pubblica e della autorità competenti per cui il futuro dell'IM appare sempre più connesso alla soddisfazione di inderogabili esigenze in tema di rispetto della dignità umana e degli aspetti sociali ed etici. Per ciò che attiene specificamente alle tecnologie biometriche va inoltre sottolineato che nulla, o quasi, è stato fatto per tenere nel debito conto le persone disabili, siano esse genericamente portatrici di handicap o lo siano relativamente alle tecniche di riconoscimento biometrico. In tal senso va inquadrata la forte attenzione che la commesse intende dare agli anziani, il cui numero è in progressivo aumento e che rischiano una ulteriore emarginazione sociale o perché non riconoscibili (alcune caratteristiche fisiche degradano con il tempo) o non in grado di comprenderne a pieno il funzionamento. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Il responsabile della commessa è l'attuale coordinatore del gruppo di lavoro (WG6) "Cross-jurisdictional and societal aspects" dell'ISO / IEC JTC1 SC37 "Biometrics" e l'esperienza maturata dal 2002 nel coniugare, in un contesto internazionale particolarmente complesso (partecipano al gruppo di lavoro esperti provenienti da circa 20 paesi, quasi tutti tecnologicamente molto avanzati, aspetti tecnici, giuridici e sociali dovrebbe assicurare una robusta aderenza delle istanze nazionali con gli orientamenti internazionali. L'ITTIG e l'ISGI rappresentano due "poli"nel settore giuridico non solo nel contesto del CNR. L'IIET di Genova affida il proprio modulo ad una ricercatrice in possesso di competenze sia nel settore ingegneristico che in quello legato alla psicologia ed in grado quindi di seguire al meglio i problemi di natura sociale con particolare riferimento ai problemi della sicurezza e dell'IM nella fascia di popolazione dei più anziani. I ricercatori dell'ICB infine, esperti nell'analisi delle immagini e dei sistemi di videosorveglianza potranno mettere in pratica i suggerimenti tecnico-giuridici forniti dagli altri partners della commessa.


Strumentazione • Sensori biometrici per il riconoscimento delle impronte digitali e dell'iride; • Apparecchiature di ripresa orientate all'acquisizione di immagini del volto degli individui • Apparecchiature di ripresa video per l'analisi di immagini di flussi di individui • Termocamera operante nel range 3-5micron con sistema di acquisizione delle immagini. • Set-up sperimentale per la misura di parametri termici ed ottici di materiali organici sottoposti all'azione di un

processo degradativo. • Personal computers, workstations, sistemi di acquisizione e di riproduzione, stampanti • Tele-termocamere digitali a controllo remoto, operanti in diverse bande dell'infrarosso, basate su matrici (Focal

Plane Array) di sensori a semiconduttore con elevata sensibilità termica

Tecniche di indagine • Algoritmi per l'elaborazione di immagini del viso • Algoritmi per la valutazione delle prestazioni dei sistemi biometrici in condizione di funzionamento reale • Analisi dinamica della degradazione di materiali polimerici con termografia nel range spettrale da 3 a 5 micron • Algoritmi orientati ai Pattern Recognition, Computer Vision, Digital Geometry & Topology, e Mathematical

Morphology sviluppati in linguaggio C e ambiente di programmazione Matlab

Tecnologie • Modelli di immagini di caratteristiche biometriche (template) • Modelli per la descrizione • Acquisizione di immagini con termocamere digitali

Collaborazioni (partner e committenti) Le collaborazioni che si intendono accendere nel contesto della presente commessa concernono, ad una prima analisi che dovrà comunque essere affinata nel tempo in conseguenza dello sviluppo della attività di ricerca. Nella presente sezione sono riportati solo alcuni riferimenti internazionali. per un maggiore dettaglio si prega riconsultare i singoli moduli della commessa. • ISO / IEC JTC1 SC37 "Biometrics" • CEN Focus group on Biometrics • National Instiute of Standards and Technology (NIST ‘ US) • Jiangsu University (Cina), • Trinity College di Dublino (Irlanda), • PSI (Stoccolma - Svezia), • Dipartimento di Agricoltura dell'Università di Osnabruck (Germania), • Institute of Computer Vision and Applied Computer Sciences ‘ IbAI, (Lipsia ‘ Germani) • Center for Image Analysis, SLU&UU Universities (Uppsala ‘ Sweden)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si prevede di rinnovare le collaborazioni in atto. Inoltre, è prevista la partecipazione al PRIN e ai progetti FIRB Futuro in Ricerca.

Finalità

Obiettivi L'obiettivo ben definito della commessa è il consolidamento delle tecnologie di ricoscimento degli individui e degli oggetti in un meglio definito quadro normativo e sociale.


Potenziale impiego - per processi produttivi Lo sviluppo di uno studio armonico sulle tecniche di identificazione potrà rappresentare un importante strumento a supporto dei vari costruttori o integratori di tecnologie orientate al riconoscimento degli individui o degli oggetti. La verifica di compatibilità delle proprie tecnologie o procedure con aspetti legati alla protezione dei dati o fattori etici rappresenta ancora un argomento difficile da esaminare - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le ricadute riguardano soprattutto il contributo potenzialmente offribile alla comunità ed ai singoli in tema di aumento della percezione della sicurezza.


Moduli

Modulo: Aspetti giuridici dell'Identity Management Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Tecniche evolute di videosorveglianza orientate all’identity management Istituto esecutore: Istituto di cibernetica "Edoardo Caianiello" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Aspetti psicologici, sociologici ed etici della sicurezza Istituto esecutore: Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle

telecomunicazioni Luogo di svolgimento attività: Sede di Genova

Modulo: Aspetti etici dell'identity management Istituto esecutore: Istituto di studi giuridici internazionali Luogo di svolgimento attività: Sede di Napoli

Modulo: Identity Management e sicurezza nel contesto dei programmi di ricerca internazionali

Istituto esecutore: Istituto di biostrutture e bioimmagini Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Materiali Funzionali e Sistemi Disordinati Dati generali

Progetto: Sistemi e materiali complessi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Sede principale svolgimento: Sede di Firenze Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: MARCO ZOPPI Temi

Tematiche di ricerca Idrogeno e materiali per l’immagazzinamento dell’idrogeno: Determinazione sperimentale (spettroscopia e diffrazione neutronica, spettroscopia IR e Raman) della struttura e dinamica microscopica di idrogeno puro e miscele, idruri semplici e complessi, clatrati, nanotubi di carbonio, complessi metallorganici, materiali contenenti idrogeno. Materiali per la catalisi eterogenea: Misure di spettroscopia ottica e neutronica su materiali innovativi. Materiali per la sensoristica: Misure anelastiche, dielettriche ed NMR su perovskiti ferroelettriche, rilassori e per conduzione ionica. Fenomeni di invecchiamento e memoria della polarizzazione elettrica in funzione dei cicli termici. Transizioni di fase nella regione di coesistenza di strutture tetragonali e romboedriche dove sono massimizzate le proprietà elettromeccaniche. Proprietà strutturali e dielettriche di film sottili prodotti da deposizione laser in funzione della natura del substrato e dei parametri di deposizione. Strumentazione Neutronica: Progetto INES: gestione della Stazione Sperimentale Italiana ad ISIS (UK). Progetto PANAREA: contributo strumentale nell’ambito dell’accordo di cooperazione internazionale tra CNR e STFC(UK).

Stato dell’arte La ricerca sui materiali per l’immagazzinamento dell’idrogeno (idruri semplici e complessi, matrici nanoporose, clatrati) sono temi caldi su cui l’UE sta investendo risorse notevoli. Le tecniche di spettroscopia che utilizzano i fotoni e i neutroni sono fondamentali per determinare i siti di assorbimento e le cinetiche di reazione, che permetteranno la progettazione di nuovi ed efficienti materiali. Le misure spettroscopiche mirano ad investigare il ruolo di eventuali droganti e come l’aumentata complessità del materiale influenzi le caratteristiche di capacità e mobilità dell’idrogeno. La diffrazione neutronica fornisce informazioni sui siti preferenziali di assorbimento. Misure anelastiche, dielettriche ed NMR su rilassori ferroelettrici (equivalenti dielettrici dei vetri di spin) evidenziano l’esistenza di modi di rilassamento non polari, legati alle rotazioni degli ottaedri di ossigeno. Sono osservati fenomeni di invecchiamento e memoria in funzione dei cicli termici anche al di sopra della temperatura di congelamento della polarizzazione elettrica. Misure su titanato di stronzio forniscono informazioni sulle frequenze di hopping delle vacanze di ossigeno e dei protoni.


Azioni

Attività da svolgere 1-spettroscopia e diffrazione neutronica (ISIS, UK) su materiali per H-storage (idruri, clatrati idrati, nanotubi, MOF) e catalisi eterogenea. Si prevede il proseguimento di esperimenti su materiali nanoporosi per l’immagazzianmento dell’idrogeno, sia a base di carbonio che a base di acqua (clatrati idrati). I substrati carboniosi potrebbero rappresentare un ottimo mezzo per l’infiltrazione di idruri complessi ed il miglioramento delle caratteristiche di riversibilità. 2-spettroscopia Raman e IR (ISC, Firenze) sugli stessi materiali di intersse per l’immagazzinamento dell’idrogeno (vedi punto 1, di sopra). 3-Gestione della Stazione Italiana (INES) ad ISIS Lo strumento è oramai decollato e si è creata una comunità di utenti, nazionali ed internazionali, che presentano proposte sperimentali con regolarità. La macchina rappresenta attualmente un fiore all’occhiello del CNR con utenti internazionali che la utilizzano prevalentemente nel campo dell’archeometria. Per gruppi italiani, INES rappresenta un ottimo banco di prova per lo sviluppo e test di strumentazione neutronica avanzata. 4-Conclusione del progetto NIMROD e start-up sperimentale. Nel 2009 è previstl’inizio della fase operativa del diffrattometro per liquidi NIMROD, alla cui costruzione il CNR ha contribuito in maniera sostanziale. Si prevede un coinvolgimento nella fase preliminare di commissioning e nella messa a punto della strumentazione ancillare. 5-Costruzione di strumentazione neutronica (progetto PANAREA, c/o ISIS) e sviluppo delle tecniche di radiografia e tomografia neutronica In questo progetto, il CNR si è proposto per contribuire alla realizzazione di 2 strumenti presso il secondo bersaglio di ISIS (ISIS-TS2). Questi strumenti: CHIPIR e IMAT prevedono interessanti applicazioni e coinvolgono interessi industriali sia nel campo della microelettronica (soft error) che in quello della diagnostica non distruttiva di manufatti (stress residui, analisi non distruttiva, etc.) 6-Misure di spettroscopia anelastica e dielettrica (ISC, Roma Tor Vergata) su rilassori ferroelettrici e materiali piezoelettrici. Completamento di serie di misure dielettriche e anelastiche ed eventualmente di diffrazione su ferroelettrici senza Pb (NBT-BT) a diverse composizioni e trattamenti di sinterizzazione, per sudiarne il diagramma di fase. Completamento serie di misure dielettriche e anelastiche su PZT ad ulteriori composizioni nella regione di confine fra fase romboedrica e monoclina, per verificare la possibilità di una transizione R-M in funzione della temperatura. Prosecuzione di misure su perovskiti titanati variamente drogati, sia ceramici che film sottili, per studiare la natura dei difetti, particolarmente vacanze di O, e la loro influenza sulle proprietà ferroelettriche.

Punti critici e azioni da svolgere La gestione della Stazione Italiana ad ISIS (INES) prevede sia la nomina di un instrument scientist che il versamento di una quota onerosa. Il costo relativo totale è stimato in 100.000 euro/anno, che NON POSSONO GRAVARE sui fondi ordinari di commessa e dovrebbero essere finanziati su un capitolo separato. A partire dal 2008, la quota onerosa (50.000 euro/anno) è stata inglobata nel finanziamento strumentale (Progetto PANAREA). La quota relativa ai costi per l’INSTRUMENT SCIENTIST ad ISIS ed i costi ancillari della strumentazione (il tutto stimato in ultriori 50.000 euro/anno) dovrà essere finanziata a parte. Si fa presente che negli ultimi 3 anni, l’Instrument Scientist è stato sostituito 2 volte. Questo, poiché il CNR non è in grado di fornire serie garanzie sul futuro del personale giovane che trova posizioni di lavoro migliori e meglio retribuite. Sarebbe opportuno programmare un posto di ricercatore, con cadenza di 2/3 anni, per garantire il riassorbimento, in seno al CNR, di personale giovane che ha acquisito una notevole esperienza di ricerca in un laboratorio di risonanza mondiale, ed evitare la perdita di risorse umane a favore dei nostri partners europei. Le ricerche di stato solido risentono di simili difficoltà. Una volta raccolti fondi esterni sufficienti a coprire il bando di un assegno di ricerca, succede che i giovani trovano di meglio e se ne vanno. Ultimamente, riesce addirittura difficile trovare giovani che siano adeguatamente preparati e disposti a lavorare nell’ambiente della ricerca. È molto frustrante investire tempo e risorse nella preparazione di un giovane ricercatore ed essere costretti a perderlo perché non abbiamo niente di valido da offrire. I finaziamenti FISR del 2007 ancora non sono arrivati. È molto difficile programmare il lavoro in queste condizioni.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Progettazione, realizzazione e analisi di esperimenti di: 1-spettroscopia ottica (visibile e infrarossa) e neutronica. 2-diffrazione neutronica e raggi X 3-spettroscopia dielettrica e anelastica (onde sonore e ultrasuoni) 4-spettroscopia Moessbauer. 5-calorimetria differenziale. Elaborazione di modelli per l’analisi di esperimenti con neutroni (correzioni per scattering incoerente, multiplo, self-shielding, anelastiche, etc.) e Raggi-X (correzioni dati per effetto Tomson etc.) Teorie dello scattering di neutroni termici ed estensione verso le alte energie. Simulazione di sistemi molecolari: Monte Carlo, Path Integral Monte Carlo, Dinamica Molecolare. Conoscenza approfondita di tutte le basi teoriche necessarie all’applicazione critica delle tecniche sopra descritte.

Strumentazione Laser ad argon, krypton, He-Ne per spettroscopia Raman ottica. Doppio monocromatore Spex a reticoli olografici con rivelazione sia singolo canale (Photon counting) che multicanale (CCD raffreddato). Triplo monocromatore Spex Triplemate a reticoli olografici con rivelazione multicanale (CCD raffreddato). Spettrometro Infrarosso a Trasformata di Fourier (FT-IR) Bruker, Mod. Vertex 80v. Attrezzatura e celle per alte ed altissime pressioni per gas, liquidi e solidi. Sistemi criogenici a circuito chiuso di elio per operare a temperature tra 4 e 300 K con campioni gassosi, liquidi o solidi, anche sotto pressione. Atrezzatura per misure di spettroscopia anelastica (modulo elastico complesso in funzione di temperatura e frequenza): sistemi in alto vuoto con inserti per misure fra 1-300 K, fra 80-900 K, fra 70-1200 K. Attrezzatura per misure dielettriche fra 100 K e 580 K in camera climatica e ponte di impedenza 100 Hz-40 MHz. Sistemi criogenici tradizionali ad elio liquido. Sistema per il trattamento di materiali per l’immagazzinamento dell’idrogeno. Laboratorio per trattamenti termici, drogaggi e degasaggi di campioni.

Tecniche di indagine Tecniche di spettroscopia ottica (visibile e infrarossa) e neutronica. Tecniche di diffrazione neutronica e raggi-X. Tecniche di simulazione: Monte Carlo, Path Integral Monte Carlo, Dinamica Molecolare. Tecniche criogeniche (fino all’elio liquido e transizione superfluida) e di alto vuoto. Processi a temperatura e atmosfera controllata. Tecniche di alta pressione (fino al Mbar). Tecniche di manipolazione di gas e materiali speciali. Tecniche di spettroscopia dielettrica (acustica e ultra-acustica). Tecniche di calorimetria.

Tecnologie Generalmente, se uno strumento non è disponibile, ce lo costruiamo. Se una tecnica di analisi non esiste, siamo in grado di svilupparla in maniera autonoma. Il gruppo, pur essendo orientato verso un’attività sperimentale, è perfettamente in grado di costruire modelli teorici di ausilio all’interpretazione dei dati sperimentali misurati. È solo questione di tempo e di risorse disponibili.


Collaborazioni (partner e committenti) 1-A.Albinati(Uni-Milano)(%) 2-R.Cantelli(Uni-Roma-1)(%) 3-G.Principi(Uni-Padova) 4-E. Roncari CNR-ISTEC(Faenza) 5-V. Buscaglia CNR-IENI (Genova) 6-CNR-ICCOM(Firenze)(@) 7-LENS (Firenze)(@) 8-University Salford(UK)(*%) 9-University Nottingham(UK)(*%) 10-GKSS(Hamburg,D)(*) 11-CEA(Grenoble,F)(*) 12-University Besancon (F)(*) 13-CNR-IPCF(Messina)(#!) 14-Università Roma-Tre(#!) 15-STFC-ISIS(UK)(#!) 16-Università Roma-Tor Vergata (!) 17-Università Milano-Bicocca (!) 18-Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (D) (%&) 19-Institute fur Energienteknik (Norv.) (%&) 20-University Vienna (A) 21-University Barcelona (E) 22-University Patagonia (Arg.) 23-University Tsukuba (Japan) 24-University Bucarest(Romania) 25-University Sao Paulo (Brazil) 26-M. Fabrizio CNR-IENI (Padova) (%) Collaborazione nell’ambito TASK-22 IEA-HIA (International Energy Agency, Hydrogen Implementation Agreement) (@) Collaborazione nell’ambito del Progetto FIRENZE-HYDROLAB (Ente C.R.F.) (*) Collaborazione nell’ambito del Progetto HYTRAIN (UE-FP6) (#) Collaborazione nell’ambito del Progetto ISIS-TS2 (UE-FP6) (&) Collaborazione nell’ambito del Progetto NANOHY (UE-FP7) (!) Collaborazione nell’ambito del Progetto PANAREA (CNR)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate La commessa è molto impegnata in attività di reperimento di fondi esterni all’Ente sia per le attività di ricerca sui materiali per H-storage che per quelle sui materiali ferroelettrici e piezoelettrici. La gestione diretta di un diffrattometro per neutroni, apre ampie possibilità di offerta alla comunità scientifica nazionale per scopi diagnostici. Lo strumento INES è stato e verrà pubblicizzato nell’ambito della scienza dei materiali, scienze della terra, beni culturali ed archeologici, con lo scopo di coinvolgere un gran numero di ricercatori che potranno utilizzarlo nello loro attività di ricerca programmatiche. Le competenze di spettroscopia Ottica, Neutronica, Dielettrica vengono continuamente offerte per ottenere commesse di ricerca su materiali di interesse dell’Istituto, sia in ambito nazionale (MIUR) che internazionale (FP7).

Finalità

Obiettivi L’utilizzo di un materiale per scopi funzionali (immagazzinamento di idrogeno o informazione, produzione di energia ad elevato rendimento, produzione di sensori e/o trasduttori) presuppone un’intima conoscenza delle sue caratteristiche a livello microscopico allo scopo di selezionare i fattori responsabili dei valori, necessariamente elevati, delle grandezze fisico-chimiche rilevanti. Il nostro obiettivo principale è quello di ottenere informazioni dirette sulle caratteristiche dei materiali funzionali utilizzando, in stretta correlazione, le tecniche spettroscopiche (spettroscopia dielettrica ed anelastica, spettroscopia ottica e neutronica), i modelli teorici e le simulazioni. La conoscenza della struttura e della dinamica microscopica dell’idrogeno è un prerequisito necessario per lo studio dei materiali che vengono proposti per un efficace immagazzinamento. Solo partendo da questa base si possono ottenere informazioni rilevanti sui meccanismi di interazione idrogeno-materiale e su come questi influenzino la dinamica. L’idrogeno non è facilmente visibile ai raggi X, mentre risulta facilmente osservabile con i neutroni. L’utilizzo dei neutroni è fondamentale per questa attività.

Risultati attesi nell’anno Sul fronte dell’H-storage prevediamo di ottenere informazioni trasferibili all’innovazione tecnologica e utili per la progettazione di serbatoi innovativi. Lo sviluppo è su tempi di scala medio-lunga (10-15 anni) conformemente alle aspettative dell’UE. Contemporaneamente dovrà proseguire la ricerca di base su questi materiali, così come sui


materiali per celle a combustibile, e su quelli per applicazioni elettroniche ed elettromeccaniche. I prodotti che ci aspettiamo sono: 1-Pubblicazioni scientifiche 2-Trasferimento tecnologico 3-Comunicazioni a conferenze 4-Possibili brevetti (se finanziati a parte) Realizzazione di strumentazione neutronica avanzata. Proseguiranno test ed esperimenti atti a migliorare le caratteristiche delle tecniche di radiografia e tomografia neutronica attualmente in corso nell’ambito del Progetto PANAREA. Stiamo preparando un prototipo di un sistema di allineamento che, se avrà successo, potrebbe essere montato su NIMROD ed eventualmente su altri strumentui di ISIS. È prevista un’attività di progettazione per lo strumento IMAT. Spettroscopia anelastica e dielettrica. Determinazione più precisa del diagramma di fase del sistema NBT-BT, materiale ferro-elettrico senza Pb candidato a sostituire il PZT. In particolare si conta di stabilire la natura della fase nelle vicinanza del confine morfotropico fra regione romboedrica e tetragonale e la possibilità di rotazione della polarizzazione in fasi intermedie monocline. Una volta stabilito il comportamento delle vacanze di O nella perovskite cubica non drogata SrTiO3 mediante misure anelastiche, si spera di poter identificare processi di rilassamento anelastico ed eventualmente dielettrico analoghi in perovskiti drogate e ferro-elettriche. Questo permetterebbe di misurare la mobilità e tipo di aggregazione di vacanze di O e altri difetti mobili. L’utilizzo della Stazione Italiana INES, ha aperto nuove opportunità di ricerca applicata alla diagnostica non distruttiva di materiali complessi di origine archeologica, per applicazioni in ambito beni culturali. Prevediamo di ampliare le collaborazioni con Musei e Soprintendenze Archeologiche.

Potenziale impiego - per processi produttivi Alternative ai combustibili fossili per la produzione energetica sono oggi tecnologicamente possibili, ma sono rese proibitive dagli elevati costi di esercizio. D’altra parte, la continua crescita del prezzo del petrolio, legata all’aumento della richiesta mondiale e non bilanciata da un corrispondente aumento di produzione, suggerisce che una strategia focalizzata solo sui costi attuali potrebbe risultare miope e che l’economicità di possibili alternative ai combustibili fossili potrebbe divenire attuale su scale di tempi inferiori alle stime del passato. In questa ottica, le ricerche avanzate sui materiali per un immagazzinamento efficace dell’energia (nella fattispecie, idrogeno), dell’informazione (memorie ferroelettriche), ovvero per la produzione di energia elettrica a partire da fonti rinnovabili (catalizzatori per celle a combustibile) si candidano come attività di fisica fondamentale che potrebbero comunque sfociare in applicazioni tecnologico-industriali su una scala di tempo non troppo lunga. - per risposte a bisogni individuali e collettivi L’aumento costante del livello di inquinamento atmosferico impone la ricerca di alternative ai combustibili fossili per la produzione energetica. Questo problema è drammaticamente attuale nel caso dell’autotrazione e nelle aree urbane densamente popolate. Inoltre, gli effetti del riscaldamento del pianeta si stanno manifestando, a livello globale, sotto forma di un’aumentata frequenza di eventi atmosferici estremi. Queste considerazioni sono ampiamente contemplate nel protocollo di Kyoto. La popolazione più evoluta del pianeta si aspetta che la ricerca scientifica fornisca, a tempi brevi, risposte plausibili alla domanda sempre più pressante di alternative valide ai combustibili fossili per la produzione di energia. L’utilizzo di una piccolissima frazione dell’irraggiamento solare potrebbe risolvere i problemi energetici del pianeta, se solo fossimo in grado di immagazzinare questa energia e renderla disponibile all’utilizzo nel tempo e nel luogo dove è richiesta. Il vettore idrogeno è il candidato ideale per svolgere questo ruolo, ma è necessario un grosso sforzo di ricerca, finalizzata a questo scopo, per ottenere risultati in tempi ragionevoli. Moduli

Modulo: Materiali Funzionali e Sistemi Disordinati Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze


Formazione spontanea di strutture e fenomeni di trasporto Dati generali

Progetto: Sistemi e materiali complessi Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Sede principale svolgimento: Sede di Firenze Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: RUGGERO VAIA Temi

Tematiche di ricerca - Analisi di stabilità non lineare di modelli di crescita - Studio di transizioni di fase classiche, quantistiche - Simulazioni di modelli (1D e 2D magnetici, di crescita epitassiale, di reticoli Josephson) - Effetti quanto-dissipativi - Esperimenti su sistemi granulari - Collezione e analisi di dati da satellite e missioni spaziali - Analisi di dati da misure di emissione acustica - Analisi di serie temporali

Stato dell’arte Fenomeni diversi in idrodinamica, mezzi granulari, magneti, sistemi disordinati, etc., hanno caratteristiche universali. Nonostante le differenze qualitative tra equilibrio e non-equilibrio, dinamiche classiche e quantistiche, la trasposizione di tecniche è efficace. Problemi emergenti: effetti dissipativi, quantificazione dei flussi (energia, informazione) sia spaziali (calore) che su scale diverse (strutture turbolente, fratture), stabilità di fasi binarie e studio delle interfacce. Azioni

Attività da svolgere TUNNELING COERENTE ED INCOERENTE IN CLUSTERS MAGNETICI Si intende proseguire lo studio delle transizioni tra stati di alto spin, con una variante del metodo semiclassico che è stata sviluppata recentemente, e stabilisce una stretta analogia tra le transizioni di spin e il tunneling attraverso una barriera. Perfezionando poi la trattazione del propagatore tridimensionale, correlato al tempo di tunneling, potrà così essere possibile descrivere tali transizioni in modo consistente partendo dai primi principi. APPLICAZIONE DELLA TEORIA DELL’INFORMAZIONE A PROCESSI ELIO-GEOSPAZIALI Nel 2009 si prevede di arrivare a una definizione precisa dei limiti degli attuali programmi in uso per il calcolo delle grandezze necessarie, e di applicare sistematicamente tali programmi alla più vasta fenomenologia possibile. TURBOLENZA DI PLASMA: RICONNESSIONE MAGNETICA FRATTALE ED EVOLUZIONE STOCASTICA Le formule della riconnessione frattale verranno applicate a plasmi spaziali e di laboratorio (fusione nucleare). Nel primo caso si incrementerà la base sperimentale statistica; nel secondo si chiarificherà il legame teorico e numerico fra parametri frattali e dinamica. Dalla lagrangiana stocastica per l’MHD saranno ottenute le espressioni della probabilità di alcuni processi. IRREGOLARITÀ IONOSFERICHE E RADIO-SCINTILLAZIONI Si è intenzionati a proseguire il lavoro di collaborazione modellistico con i colleghi del CBK di Varsavia e dell’INGV di Roma. Inoltre, insieme al gruppo ionosferico della Università di Bath si intende avviare una campagna sistematica d’analisi risolta nel tempo dei segnali radio raccolti dai loro ricevitori. PROPRIETÀ STRUTTURALI DEI MATERIALI DISORDINATI Proseguimento degli esperimenti sulla reazione a sforzi di taglio di un letto granulare, con perfezionamento dell’apparato ed implementazione di altri rivelatori (es. altezza). Ulteriore sviluppo di modelli stocastici per la dinamica stick-slip per il cedimento da sforzo, fratture, e dinamica delle transizioni del primo ordine. PROPRIETÀ MAGNETICHE DI STRISCE DI FERRO DI SPESSORE NANOMETRICO DEPOSITATE SU UN SUBSTRATO MAGNETICO AUTO-ORGANIZZATO DI MnAs/GaAs(001): STATO DELL’ARTE E PREVISIONE DI RISULTATI SCIENTIFICI Proseguirà nel 2009 la collaborazione con il Dr. J. Milano (Bariloche, Argentina) e le Università di Perugia (G.Carlotti e S.Tacchi) e di Parigi 6 (M.Marangolo) sullo studio delle proprietà magnetiche di film di Fe patternati a


strisce di spessore nanometrico, ottenuti per epitassia di fascio molecolare su film magnetici auto-organizzati di MnAs/GaAs(001). Si pubblicherà a breve uno studio sistematico del campione finora studiato (film di Fe di spessore 4nm, depositato su un film di MnAs di spessore 140 nm): interpretazione di misure magnetometriche (VSM, Vibrating Sample Magnetometer; MOKE, Magneto Optic Kerr Effect), di risonanza ferromagnetica (FMR) e di scattering di luce Brillouin (BLS). Si studierà poi la dipendenza delle proprietà magnetiche del film patternato sia dallo spessore del Fe che da quello del substrato di MnAs. Questo studio si inquadra nell’ambito di un problema di grande attualità quale il controllo delle proprietà magnetiche dei film ultrasottili non per mezzo di un campo magnetico, ma mediante auto-organizzazione. Inoltre, l’interesse tecnologico del sistema Fe/MnAs/GaAs(001) investigato risiede nel fatto che il pattern a strisce magnetiche del Fe, da noi osservato ed interpretato, compare in un range di temperature da 300 a 325 K (cioè a temperatura ambiente) ed è perfettamente reversibile. CRITERI PER LE DINAMICHE NONLINEARI DI INTERFACCE IN 2+1 DIMENSIONI Ci occupiamo della dinamica di un parametro d’ordine generico in due dimensioni spaziali e nel tempo, quando una certa soluzione banale è linearmente instabile. Tramite lo studio delle dinamiche di fase delle soluzioni periodiche dovrebbe essere possibile trovare dei criteri generali per estrarre informazioni sulle dinamiche nonlineari a partire da proprietà puramente statiche. EFFETTI DI INTERAZIONE AMBIENTALE IN SISTEMI QUANTISTICI Si vuole mettere a punto un metodo per la trattazione semiclassica di un sistema quantistico accoppiato con l’ambiente, nel caso in cui l’azione di influenza non sia quadratica. Tale necessità consegue dai risultati ottenuti finora, da cui appare che un modello realistico per l’accoppiamento con le vibrazioni reticolari in sistemi magnetici quantistici conduce ad un’azione influenza quartica. Con tale metodo, che di per sé è generale ed applicabile in svariati campi, potranno essere poi quantificati gli effetti di accoppiamento ambientale sul comportamento termodinamico di sistemi quantistici appartenenti a differenti classi di universalità. RIPIEGAMENTO DELLE PROTEINE Proseguimento dello studio delle problematiche relative alla proposta di ricerca a tema libero “Dinamiche cooperative in strutture quasi uni-dimensionali” con particolare riferimento al folding di proteine. Rischio sistemico nei mercati finanziari.

Punti critici e azioni da svolgere PUNTI CRITICI E AZIONI DA SVOLGERE ---------------------------------- PUNTI CRITICI: • finanziamenti per l’attività di ricerca praticamente azzerati da tre anni • incertezza del finanziamento a medio termine • difficoltà di reperire fondi per progetti di ricerca fondamentale • impossibilità di reclutare giovani ricercatori • impossibilità di acquisire nuova strumentazione • impossibilità di partecipare ai più importanti convegni internazionali • impossibilità di invitare e avere scambi scientifici con istituzioni ed esperti stranieri • eccessivo tempo e soprattutto energia mentale dedicata a compiti burocratici, di cui la maggior parte senza

riscontro o ritorno AZIONI DA SVOLGERE: • reperimento di fondi su progetti • risparmiare incrementando le attività di ricerca a basso costo (e quindi a basso impatto scientifico-tecnologico)

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine - Esperienza e competenze in calcoli analitici e numerici, perturbativi e nonperturbativi, per termodinamica all’equilibrio e fuori equilibrio.

Strumentazione L’attività sperimentale della commessa è concentrata principalmente sullo studio del comportamento meccanico di mezzi ganulari sottoposti a sforzi di taglio, e quello dell’ emissione acustica di materiali disordinati sotto diversi tipologie di sforzo. Per lo studio dei granulari sono state realizzate diverse celle in cui un canale circolare è riempito con un granulare a cui si può applicare un tasso di deformazione di teglio attraverso una piastra girevole che poggia sul granulare. In questo modo si misura essenzialmente la resistenza del granulare allo sforzo. Per lo studio ell’emissione acustica si dispone di una pressa idraulica e di una catena di acquisizione trasduttori-filtri-amplificatori-oscilloscopio-calcolatore, che può acquisire segnali fino almeno a 10 MHz.


Tecniche di indagine - Calcolo analitico e simulazione numerica, elaborazione di dati sperimentali e da sonde spaziali, automi cellulari.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) • Univ. Firenze, Dip. Fisica (A.Rettori, A.Cuccoli, A.Fubini, G.Gori, V.Tognetti) • Univ. Firenze, Dip. Chimica Inorganica (D.Gatteschi, R.Sessoli, A.Caneschi) • Univ. Roma La Sapienza, Dip. Fisica (V.Loreto, A.Vulpiani) • Univ. Trento, Dip. Fisica (A.Tagliani) • INGV, U.F. Fisica dell’alta atmosfera, Roma (G.DeFranceschi, V.Romano, L.Alfonsi) • INAF-IFSI (G.Consolini) • ISMB, Torino (G.Perona) • CNR-IFAC (P.Spalla, I.Cacciari) • CNR-INFM Firenze (P.Verrucchi) • CNR-INFM Roma (S.Zapperi) • ETH, Zürich CH, Dept.Physik (A.Vindigni) • CNRS, Grenoble F, Lab. de Spectrométrie Physique (C.Misbah) • Univ. Bath UK, Dept. Electric & Electronic Engineering (C.N.Mitchell) • Univ. Limerick IR, Department of Physics (D.Corcoran, B.Fitzgerald) • Polska Akademia Nauk PL, Centrum Badan Kosmicznych (A.Wernik) • Univ. São Paulo BR, Instituto de Física (M.J.de Oliveira, S.Salinas) • Univ. Nacional de Córdoba AR, Fac. de Matemática, Astronomía y Física (S.A.Cannas, E.E.Ferrero) • Space Research Institute, Sofia BG (E.Yordanova) • Univ. Western Australia, Crowley AUS, School of Physics (R.L.Stamps) • Clarkson Univ., Potsdam (NY) USA (D.ben-Avraham)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate • partecipazione ad unità di ricerca universitarie nell’ambito dei PRIN • ricerca di finanziamento attraverso programmi europei • ricerca di partnership con altre realtà scientifiche

Finalità

Obiettivi • Conoscenza della struttura e dinamica microscopica di sistemi complessi, classici e quantistici, appartenenti a

contesti diversi ma con caratteristiche di universalità. • Formulazione e studio di modelli sia semplici, finalizzati alla comprensione fisica, sia realistici, per interpretare

dati sperimentali.

Risultati attesi nell’anno Avanzamenti secondo le linee di ricerca esposte sopra, divulgazione degli stessi mediante partecipazione a conferenze internazionale e nazionali e mediante pubblicazioni su riviste specializzate.

Potenziale impiego - per processi produttivi - Stoccaggio e manipolazione di materiali granulari - per risposte a bisogni individuali e collettivi Moduli

Modulo: Formazione spontanea di strutture e fenomeni di trasporto Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze


Realizzazione e studio di sistemi complessi Organico/Inorganico Dati generali

Progetto: Sistemi e materiali complessi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Sede principale svolgimento: Sede di Firenze Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: STEFANO SOTTINI Temi

Tematiche di ricerca La ricerca si articolerà su 2 linee: lo studio di fenomeni elettromagnetici all’interfaccia metallo/dielettrico e lo studio di fenomeni di auto-organizzazione e di formazione di architetture ordinate alle interfacce tra adsorbati organici e substrati inorganici. I fenomeni elettromagnetici che si osservano nei compositi metallo-dielettrico ad es. strutture frattali o percolati, sono promettenti per la miniaturizzazione di componenti ottici. Lo studio dettagliato dell’arrangiamento di specie molecolari cresciute su template ha un ruolo cruciale nelle proprietà macroscopiche delle rispettive strutture e dei film impiegati nella nuova tecnologia dei dispositivi. Sarà studiata la crescita autoorganizzata mediante deposizione da fasci molecolari di strati sottili di macromolecole organiche su substrati inorganici come metalli nobili e materiali a diversa gap. Attenzione particolare sarà dedicata allo studio degli effetti di confinamento spaziale, dell’interazione col substrato e della morfologia sulla struttura elettronica di sistemi 2D e 1D,con l’obiettivo di realizzare circuiti integrati nanofotonici che sfruttino effetti non lineari o di fluorescenza.

Stato dell’arte I fenomeni elettromagnetici nei compositi organico/inorganico sono oggetto di intensi studi da diversi anni. Infatti, i compositi nano strutturati posseggono proprietà elettromagnetiche affascinanti, che differiscono grandemente da quelle dei materiali convenzionali e che sembrano sempre più promettenti per la miniaturizzazione di componenti nano optoelettronici o nano fotonici. Per esempio, le strutture frattali, non possedendo invarianza traslazionale, impediscono la propagazione delle onde elettromagnetiche. Un altro fenomeno di grande interesse è costituito dalla cosiddetta soglia di percolazione in film metallici semicontinui nanostrutturati. Inoltre, in presenza di interfacce rugose si possono generare anche band-gap fotonici. L’adsorbimento controllato di molecole organiche con speciali proprietà ottiche quali nonlinearità o fluorescenza, su strutture con le proprietà precedentemente descritte, apre la strada allo sviluppo di circuiti integrati nano fotonici. Allo stesso tempo, una opportuna funzionalizzazione delle superfici metalliche consente lo sviluppo di sensori chimici e/o biologici di notevole interesse. Azioni

Attività da svolgere Data la scarsità di fondi ordinari e la difficoltà di reperire fondi comuni a tutta la commessa per una collaborazione efficace, i ricercatori dell’area di Roma che, a parte due, risiedono a Tor Vergata, hanno deciso di dare vita ad una nuova commessa. Nell’area di Firenze, la commessa continuerà la sua attività, almeno per il 2009 che, prevedibilmente, sarà un anno di ristrutturazione per l’ISC che solo ora nasce ufficialmente. L’attività prevista si può così riassumere: nell’ambito di un progetto PRIN2007 approvato, sarà studiata l’interazione tra molecole fluorescenti bicromoforiche e film di nanoisole metalliche per lo sviluppo di chemosensori basati sul quenching della fluorescenza in presenza di analiti specifici (per esempio Cu2+). Sarà completato lo studio della fotoframmentazione di nanoparticelle metalliche sottoposte a radiazione UV-Vis al picosecondo. Il modello teorico, in fase avanzata di sviluppo, sarà confrontato con i dati sperimentali ottenuti irraggiando sospensioni acquose di nanoparticelle d’oro con impulsi a 532 e 355 nm di un laser Nd:YAG al ps. Nell’ambito di un contratto di collaborazione stipulato con Selex Galileo (ex Galileo Avionica),uno dei partner nel progetto “Molecular Medicine for Man in Space (MoMa)” ,sarà completato il breadboard di un sensore SPR sviluppato per il monitoraggio della risposta di colture cellulari a stimoli chimici. Saranno eseguiti quindi i tests di risposta del sensore alla funzionalizzazione con opportune molecole organiche. I successivi tests di verifica dell’adesione cellulare in risposta alla somministrazione di agenti chimici specifici saranno sviluppati in collaborazione con il dr. Cacace dell’ISNM-CNR. Nell’ambito del progetto finanziato dalla Cassa di Risparmio di Firenze per il triennio 2008-2011 “ Aspetti strutturali e funzionali di bilayers lipidici in medicina molecolare: coinvolgimento dei lipid raft in patologie umane” verranno realizzate superfici di oro funzionalizzate con destrano,che saranno successivamente impiegate per generare strati di una particolare proteina (Upar) che risulta essere presente in notevole concentrazione sui lipid rafts . Questi ultimi, presenti a loro volta sulle membrane cellulari, appaionino responsabili di molte interazioni fra la cellula e l’ambiente extracellulare


Punti critici e azioni da svolgere Lo sviluppo del sensore di Cu2+ presenta punti delicati che meritano quindi un approfondimento, sia nella riproducibilità dei risultati che nella selettività rispetto ad altri metalli. La realizzazione di un sensore compatto e di costo contenuto richiederà anche lo sviluppo di rivelatori non banali. Completato il breadboard del sensore SPR sviluppato insieme con Selex Galileo, inizierà la collaborazione con il dr Cacace per i tests su materiali biologici. Infine, nell’ambito del progetto finanziato dalla Cassa di Risparmio di Firenze, si dovrà stabilire una stretta collaborazione con i partners medici e chimici per realizzare, nel 2009, substrati funzionalizzati con destrano ed effettuare misure preliminari su Upar

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le risorse umane ammontano a circa 11 anni uomo. Essendo le tematiche di ricerca fortemente interdisciplinari, i ricercatori hanno acquisito vaste conoscenze sia di carattere sperimentale che teorico, per la modellizzazione delle strutture oggetto di indagine. le competenze presenti nella commessa relative alla fabbricazione di campioni e dismostratori e quelle relative alle tecniche di misura si evincono chiaramente dalla descrizione della strumentazione disponibile, descritta nel quadro successivo

Strumentazione La commessa include diversi gruppi sperimentali dotati di strumentazioni sofisticate che in molti casi sono frutto della progettazione e assemblaggio dei gruppi stessi. Ciò costituisce certamente una importante risorsa ma, in tempi come gli attuali, crea anche molte preoccupazioni per reperire le risorse economiche ed umane per una sana gestione della strumentazione stessa. Le dotazioni strumentali comprendono: MBE, evaporazione con electron gun, spin coating, evaporazione films organici, laser ablation, litografia ottica, camera bianca, vari tipi di laser. L’attività di caratterizzazione comprende: misure nonlineari (Z-scan, four wave mixing,SHG), SERS, m-line spectroscopy, microscopia avanzata (confocale,STM,AFM),spettroscopia di fotoemissione. XPS e UPS in UHV, particolari spettroscopie elettroniche sempre in UHV

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine sono state praticamente già citate a proposito della strumentazione in quanto la caratterizzazione dei nostri campioni si effettua di solito mediante misure e tecniche di indagine che richiedono apparecchiature specifiche dedicate. I dati sperimentali sono integrati con l’attività di modellizzazione che va dalla plasmonica alla modellizzazione energetica e strutturistica di sistemi costituiti da superfici metalliche/molecole organiche e semiconduttore/molecole organiche

Tecnologie Le tecnologie disponibili sono quelle che si deducono dall’elenco delle apparecchiature e metodi di caratterizzazione sopra riportati. A questo si deve aggiungere l’attività di modellizzazione delle strutture e dei dimostratori oggetto di indagine. Oltre alla modellizzazione delle strutture plasmoniche, sono da ricordare: il calcolo degli shift energetici di orbitali molecolari di core di C in composti organici adsorbiti su superifici metalliche. L’estensione della metodologia tight binding-QEq (charge equilibration ) da substrati metallici a substrati di ossidi semiconduttori. Le simulazioni strutturali ed energetiche di multilayer organici su substrati metallici. Lo studio di molecole organiche chirali: sono state utilizzate metodologie di dinamica classica per analizzare lo spazio conformazionale di tali sistemi, e simulazioni quantistiche per studiare le interazioni intra ed intermolecolari

Collaborazioni (partner e committenti) Lo sviluppo del progetto si basa in gran parte su risorse umane e strumentali interne. Le collaborazioni esterne sono però indispensabili per l’acquisizione di materiali di nuova concezione quali per es. nuove molecole organiche, e di particolari competenze nel campo della chimica, biologia ecc., data la forte interdisciplinarità delle nanotecnologie. Le seguenti collaborazioni sono in atto : • CNR-ISM • CNR-IMIP • Università di Padova • Università di Genova • Politecnico di Bari • Università di Roma I • Università di Roma II • ELETTRA Sincrotrone Trieste, • Laboratorio ELETTRA Universitè Pierre et Marie Curie (Francia) • ENEA UTS Tecnologie Fisiche Avanzate, C.R. Frascati, • Dip.to di Fisica Università di RomaTre • CIQA-CONACYT Saltillo (Mexico)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Si spera presentare una proposta, nell’ambito dei progetti STREP, per dimostrare la fattibilità di interruttori tutto ottici basati su strutture plasmoniche con interfaccia metallo-dielettrico periodicamente modulata e nonlinearità del


terzo ordine. Purtroppo la situazione economica e di personale in cui versa la commessa da anni rende particolarmente difficoltoso il nostro inserimento in progetti vincenti e, quindi, particolarmente meritevoli gli eventuali successi

Finalità

Obiettivi Dimostrazione di circuiti integrati nanofotonici caratterizzati da locali interazioni elettromagnetiche fra macromolecole, strutture biologiche, ecc. e superfici metalliche. Sviluppo di sensoristica basata su SPR. Studio dell’etero-giunzione fra macromolecole organiche e substrati semiconduttori inorganici . Crescita in situ di films sottili di ossidi trasparenti e conduttori per ablazione laser. Studio di nanotubi per catalisi. Sviluppo di materiali elettroluminescenti e fotoluminescenti

Risultati attesi nell’anno Nell’ambito del progetto PRIN2007 sarà completata l’attività teorica e sperimentale per dimostrare la fattibilità di un sensore di Cu2+ basato sul quenching della fluorescenza di molecole bicromoforiche su films di nanoisole metalliche. Il modello teorico della fotoframmentazione di nanoparticelle metalliche, attualmente in fase di sviluppo, sarà confrontato con i dati sperimentali ottenuti irraggiando sospensioni acquose di nanoparticelle d’oro con impulsi a 532 e 355 nm di un laser Nd:YAG al ps. Sarà completato il breadboard del sensore SPR sviluppato insieme con Selex Galileo per il monitoraggio della risposta di colture cellulari a stimoli chimici. Saranno quindi eseguiti i tests di risposta del sensore alla funzionalizzazione con opportune molecole organiche Nell’ambito del progetto finanziato dalla Cassa di Risparmio di Firenze, si prevede la realizzazione di substrati funzionalizzati con destrano

Potenziale impiego - per processi produttivi I temi di ricerca della commessa presentano sia un interesse di carattere generale mirante allo sviluppo delle nanotecnologie e della nanofotonica, sia interessi più immediati, ad esempio lo sviluppo di sensori. È chiaro che i futuri dispositivi basati sulle nanotecnologie richiederanno l’introduzione di nuove tecniche di fabbricazione, ad es la deposizione di films sottili e la nanolitografia, e di caratterizzazione che sono oggetto di indagine nell’ambito di questa commessa - per risposte a bisogni individuali e collettivi I temi della ricerca rivestono una grande importanza a medio lungo termine per lo sviluppo delle nanotecnologie e della nanofotonica il cui futuro impatto è attualmente difficilmente prevedibile anche se certamente molto notevole. Possibili applicazioni a più breve termine, ad esempio nel campo della sensoristica, mirano allo sviluppo di dispositivi con caratteristiche molto avanzate in termini di sensibilità e praticità di impiego che potrebbero rivelarsi particolarmente utili sia nel campo del monitoraggio ambientale che delle biotecnologie Moduli

Modulo: Realizzazione e studio di sistemi complessi Organico/Inorganico Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze


Comportamento dinamico di sistemi complessi Dati generali

Progetto: Sistemi e materiali complessi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Sede principale svolgimento: Sede di Firenze Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: ANTONIO POLITI Temi

Tematiche di ricerca • Comportamento dinamico di singoli neuroni: validazione dei modelli esistenti, loro semplificazione, analisi delle

proprietà dinamiche rilevanti, analisi di serie temporali fornite da gruppi esterni. • Studio della dinamica a molti gradi di libertà: reti neurali, reti complesse con diverse topologie di connessioni.

Emergenza di comportamenti collettivi in modelli con interazioni di tipo campo medio. • Processi di trasporto in sistemi nonlineari e disordinati: localizzazione, diffusione anomala dell’energia, ruolo

della dimensionalità. • Fenomeni di propagazione e di interfaccia e ruolo del rumore. • Dinamica e ripiegamento di eteropolimeri con riferimento sia a sistemi microscopici (proteine) che macroscopici

(catene granulari vibrate). • Fenomeni nonlineari e stocastici in laser a semiconduttore (VCSEL e quantum dots): multistabilità, retroazione

ritardata, coerenza indotta dal rumore. • Sviluppo di strumentazione e tecniche di microscopia ottica a scansione e a forza atomica per lo studio di

materiale biologico.

Stato dell’arte Sono stati proposti molti modelli di singolo neurone. Il più realistico (Hodgkin-Huxley) è stato studiato principalmente nel regime silente, ove mostra il fenomeno di risonanza di coerenza. Sono stati recentemente introdotti modelli di reti complesse con proprietà di scala che rappresentano molti sistemi reali (internet, reti metaboliche e di proteine, reti sociali, etc.). Su tali modelli è appena iniziato lo studio delle proprietà dinamiche. Sono state predette due classi di universalità per il comportamento anomalo della conducibilità termica e si è stabilita una connessione con i processi di superdiffusione dell’energia. Lo studio di modelli di laser multimodo ha evidenziato il ruolo del rumore moltiplicativo nel sistema. La lentezza dell’acquisizione limita l’uso di microscopie a scansione per l’analisi dinamica. Sono state formulate varie proposte per aumentarla velocità attraverso l’ottimizzazione del controllo.


Azioni

Attività da svolgere - Fenomeni di trasporto e diffusione anomali. Si intende proseguire nello studio di modelli di oscillatori con rumore conservativo. Questa classe di modelli è molto promettente, in quantoconsentirà di otternere risultati analitici sulla diffusione anomala di energia nello stato stazionario e sul rilassamento verso lo stato di non-equilibrio. In una seconda fase, si vorrebbe estendere lo studio al caso del trasporto in sistemi con disordine quenched. Un’altra linea di ricerca riguarderà l’ applicazione della teoria dei processi di diffusione anomali a sistemi ottici complessi, sia passivi che attivi. - Reti complesse e sincronizzazione ............... - Simulazione di biomolecole Come primo obbiettivo intendiamo studiare lo ``unfolding’’ diproteine modello sottoposte ad una forza costante (Force Clamp)ed in particolare l’andamento dei tempi di unfolding con la forza. Indicazioni preliminari (su tre modelli di proteine diversi) suggeriscono l’esistenza di 2 regimi distinti: uno a basse forze in cui l’unfoldingè imputabile a processi di attivazione ed uno ad alte forze ove l’apertura della proteina è descrivibile in termini di un processo diffusivo con drift. - Dinamica stocastica di laser a cavità verticale Prosecuzione dell’esperimento di retroazione ritardata con ritardo lungo,modellizzazione teorica a partire da equazioni fenomenologiche del laser. Studio degli effetti collettivi nel sistema laser in regime di emissione multipla nel profilo trasverso. - Dinamica di sistemi neuronali. Intendiamo studiare reti neuronali i cui nodi siano costituti da semplici modelli matematici che riproducano i tratti salienti della dinamica neuronale. In particolare, siamo interessati a capire come le proprietà di stabilità lineare di soluzioni collettive che emergono nella rete (quali gli ``splay statè’ o gli stati parzialmente sincronizzati) dipendano dalla forma funzionale del modello neuronale ed anche dalla topologia e natura degli accoppiamenti nella rete. - AFM Sarà indagato un metodo di controllo per AFM basato su auto-oscillazione del cantilever. Proseguirà l’attività di spettroscopia di forza di singola molecola a velocità controllata per la caratterizzazione delle proprietà elastiche di proteine Messa a punto di un set-up sperimentale ottimizzato per lo studio in tempo reale del protein folding di singola molecola. Si intende proseguire l’attività di misure FLIM cercando di migliorare la risoluzione temporale e spettrale. La luce di supercontinuo verrà utilizzata per applicazioni di microscopia e microspettroscopia. Collaborazione con IBF – CNR Genova Studio AFM del meccanismo aggregazione di proteine: Cerato Ulmina, lisozima e BSA.


Punti critici e azioni da svolgere Forte bisogno di nuovo personale di alta motivazione e qualificazione da inserire in ciascuna attività di ricerca. Particolarmente critica la situazione dei laboratori di ottica quantistica anche a causa delle recenti dimissioni di un primo ricercatore di ruolo. Potenziamento del sistema di calcolo sia in termini di maggiore flessibilità di utilizzo (nuovo software) che di potenziamento delle capacità di calcolo. Il microscopio AFM dedicato a misure biologiche è ormai obsoleto e dovrebbe essere aggiornato per garantirne l’utilizzabilità sui campioni in esame.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Analisi di segnali temporali per l’estrazione di proprietà dinamiche rilevanti (tecniche di embedding, calcolo di informazione). Simulazione numerica di sistemi complessi: reti di oscillatori nonlineari, catene polimeriche. Competenze di meccanica statistica e dinamica non lineare per la caratterizzazione di sistemi a molti corpi. Competenze sperimentali in ottica nonlineare e fisica dei laser a semiconduttore. Tecniche di microscopia confocale e a forza atomica.

Strumentazione La strumentazione più rilevante consiste in vari microscopi a forza atomica per l’indagine di materiali biologici (e non) su nanoscale. Microscopi confocali (ad uno e due fotoni) vengono usati a complemento dell’indagine precedente. Strumentazione per trattamento del segnale nel vicino infrarosso su scale temporali fino a 0.1 nsec. Per l’esecuzione delle simulazioni è disponibile un cluster di PC Linux-Beowulf per calcolo parallelo.

Tecniche di indagine L’attività sperimentale si basa principalmente su tecniche di indagine ottica sia nel visibile che nell’infrarosso con relative interfacce per l’acquisizione dati e, là dove necessario, per software di controllo (in particolare per la gestione di microscopi a forza atomica).

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) L. Pecora (Naval Research Lab., USA), V. Latora (INFN, Catania), M. Sartore, M. Adami (ElbaTech Srl), R. Livi (Dipartimento di Fisica Firenze), G.-L. Oppo (University of Strathclyde, Glasgow GB), H. Abarbanel (San Diego, USA), Y. Maistrenko (Julich, Germania), H. Chate (Saclay, Francia), S. Denisov, (Max Planck Institute, Dresda, Germania), C. Tessone (IMEDEA, Isole Baleari, Spagna), J. Kurths (Potsdam University, Germania); P. Baschieri (IPCF, Pisa), M. Basso (Dipartimento Sistemi ed Informatica, Firenze), Arcovito (Università Cattolica Sacro Cuore, Roma), B. Samori’ (Dipartimento di Biochimica, Bologna), R. Raiteri (Dipartimento di Bioingengeria Elettronica, Genova), A. Imparato (Politecnico Torino), M. Cencini (CNR-INFM Roma), Massimo Giudici (INLN, Nizza, Francia), R.Lima (CPT Marsiglia), A. Pepe, B. Bochicchio e A. M. Tamburro (Univ. della Basilicata)


Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Partecipazione al progetto europeo STREP “Global approach to brain activity: from cognition to disease” (GABA) (2007-2010) per un totale di 276.000 Euro (di cui 140.000 Euro ai sottocontrattori). Marie-Curie Outgoing International Fellowship “Spike time dependent plasticity”. Importo pari a 245.000 euro dal 01/04/2007 a 31/03/2010. Espressione di interesse per un progetto EUROCORES EUROSynBio, richiesta 110.000 euro per il periodo 2009-2011. Sottoposto un progetto di collaborazione Italia Francia a Progetto Galileo: richiesta 5000 euro Partecipazione al Work Programme 2009 dell’ Associazione EURATOM-ENEA nell’ambito del workpackage “Theory and modeling for ITER”. Nel 2009 saranno incassati i contributi regionali relativi all’attività rendicontata a fine 2008 per il progetto TP4L, pari a circa 7000 euro. Si prevede una prosecuzione della attività di ricerca in collaborazione con i partners industriali del progetto TP4L e la partecipazione ai prossimi bandi regionali.

Finalità

Obiettivi Caratterizzazione delle risposte di singolo neurone a segnali dipendenti dal tempo con vari gradi di correlazione. Caratterizzazione della propensità alla sincronizzazione in una rete complessa a leggi di scala generiche. Valutazione dell’impatto di variazioni nelle interazioni sulla robustezza dei fenomeni collettivi. Emergere di comportamenti collettivi in sistemi multi agente. Teoria dei fenomeni di trasporto: caratterizzazione degli stati stazionari di non equilibrio, effetto dei contatti termici, ruolo del disordine e della localizzazione. Comprensione del ruolo del rumore moltiplicativo in sistemi ottici nonlineari multimodo e in sistemi optoelettronici con ritardo lungo. Chiarire i meccanismi di ripiegamento delle proteine tramite lo studio di modelli semplici, analisi sperimentale di catene granulari macroscopiche e di unfolding tramite microscopia a forza atomica. Progettazione e realizzazione di strumentazione e tecniche di misura all’avanguardia nel campo della microscopia ottica a scansione per applicazioni nel campo della biofisica.


Risultati attesi nell’anno - Fenomeni di trasporto e diffusione anomali. Calcolo rigoroso delle leggi di scala per il trasporto anomalo e il rilassamento allo stato stazionario di una catena di oscillatori soggetta a un gradiente di temperatura. Calcola della statistica delle osservabili rilevanti (p.es. la corrente di calore) e comprensione del ruolo giocato dalle condizioni al contorno. Descrizione delle fluttuazioni di emissione in sistemi ottici con struttura frattale, sia passivi che attivi. - Reti complesse e sincronizzazione ............... - Simulazione di biomolecole Sviluppo di un approccio teorico semplificato per descrivere i due diversi regimi di unfolding per una proteina soggetta a una forza esterna costante. - Dinamica stocastica di laser a cavità verticale Acquisizione di dati sperimentali per la dinamica del laser con retroazione ritardata nel regime di ritardo lungo. Confronto qualitativo e quantitativo con un modello teorico basato sulle equazioni fenomenologiche del laser. - Dinamica di sistemi neuronali. Connessione tra stabilità delle soluzioni collettive di una rete neurale e la sua forma funzionale, topologia e natura degli accoppiamenti. - AFM Pubblicazioni su riviste internazionali e partecipazione a congressi.

Potenziale impiego - per processi produttivi Analisi di qualità di cristalli fotonici bidimensionali in relazione alla loro produzione. Analisi di qualità di fibre tessili in alternativa alla microscopia elettronica. Ottimizzazione dei processi di produzione e distribuzione dei prodotti in settori industriali specifici, quali l’omogeneità del fascio in laser di potenza. Ottimizzazione di sistemi di trasmissione ottica su fibre ottiche, incluso l’effetto del rumore sulla qualità. Regolazione del controllo del flusso di calore su nanoscale; in particolare sfruttamento delle proprietà di conduzione anomala di nanotubi al carbonio per un raffreddamento efficiente delle CPU di nuova generazione. - per risposte a bisogni individuali e collettivi farmaci molto specifici; cpu veloci per bisogni ludici delle nuove generazioni; metodologie diagnostiche curative e di diagnosi precoce di malattie neurodegenerative (epilessia, Parkinson); protesi neurali, interfacce neuro-elettroniche; prevenzione di black out in reti di distribuzione di energia; ottimizzazione del flusso fra sorgente e utente in reti di distribuzione di gas, acqua, etc. Moduli

Modulo: comportamento dinamico di sistemi complessi Istituto esecutore: Istituto dei Sistemi Complessi (Sperimentale) Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze


Materiali e dispositivi attivi per le telecomunicazioni e la sensoristica Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: STEFANO PELLI Temi

Tematiche di ricerca • Progetto di nuovi vetri attivi e loro caratterizzazione; sviluppo dei processi tecnologici corrispondenti. • Realizzazione di prototipi di dispositivi fotonici sia di tipo attivo (sorgenti laser), sia di tipo passivo

(amplificatori, strutture a reticolo, componentistica per telecomunicazioni)e sviluppo delle tecniche necessarie. • Studio di strutture a cristallo fotonico. • Fabbricazione e caratterizzazione di microrisonatori ottici a modi di galleria per sensoristica e sorgenti di luce

innovative. • Studio di fibre ottiche microstrutturate per applicazioni sensoristiche e per la realizzazione di sorgenti ottiche

innovative. • Studio di sorgenti e materiali nello spettro THz e loro applicazioni alla sensoristica, alla sicurezza e ai beni

culturali. • Sviluppo di sistemi LIDAR di fluorescenza e loro applicazioni.

Stato dell’arte Da alcuni anni vi è un crescente interesse scientifico ed industriale sui dispositivi per telecomunicazioni utilizzanti vetri drogati con terre rare (es.amplificatori e laser). Il panorama a livello internazionale si è arricchito ulteriormente con lo studio di sorgenti innovative che sfruttano ad es. le proprietà dei microrisonatori ottici, dei cristalli fotonici o delle fibre ottiche microstrutturate e che permettono, a seconda della struttura utilizzata, di ottenere emissioni in nuove bande spettrali, e con larghezze di riga molto strette o a larga banda. Le stesse strutture ottiche esprimono grandi potenzialità anche ai fini del controllo della qualità dell’ambiente o della sicurezza. Lo sfruttamento di nuove lunghezze d’onda, a frequenze dell’ordine del THz, sta aprendo nuove strade nel campo della diagnostica medica, della sicurezza e della sensoristica in generale. Infatti, radiazioni a queste lunghezze d’onda sono in grado di penetrare i corpi in modo simile ai raggi X, ma senza essere una radiazione ionizzante.


Azioni

Attività da svolgere Sviluppo di microrisonatori ottici Sviluppo di biosensori basati su microrisonatori sferici o a disco. Continueremo lo sviluppo di biosensori basati su microrisonatori a modi di galleria. Seguiremo più strade per ottenere i migliori risultati in termine di selettività e sensibilità del sensore. In particolare, cercheremo di ottenere sensori label free, in cui non è necessario aggiungere molecole che attestino l’avvenuta reazione della molecola da rivelare con il sensore mediante l’emissione di radiazione di fluorescenza nelle procedure di funzionalizzazione della superficie, ma la sola presenza dell’analita legato al sensore è sufficiente alla rivelazione. Soprattutto nella fase di sviluppo non trascureremo tuttavia l’approccio “labelled”, in quanto permette con maggiore facilità di valutare i meccanismi di adesione delle molecole alla superficie del sensore e quindi di valutarne la sensibilità, selettività e la compatibilità delle caratteristiche ottiche con la funzionalizzazione della superficie e perciò la ottimizzazione del sensore stesso. Questa attività è svolta anche nell’ambito dei progetti ICT ONE della Regione Toscana, e NAOMI. È nostra intenzione presentare un progetto sull’argomento nella presente call ICT del FP7 della Commissione Europea. Sviluppo di linee di ritardo per trasmettitori a microonde In questo caso la tecnologia dei microrisonatori viene sfruttata per la realizzazione di linee di ritardo passive o modulabili per la realizzazione di trasmettitori a microonde nell’ambito del progetto ARAMOS della European Defense Agency. Lo scopo del progetto è la realizzazione per via optoelettronica oscillatori nello spettro delle microonde innovativi che possano emettere segnali di maggiore complessità e con maggiore flessibilità in termini di frequenza di emissione, forma d’onda, rapidità di commutazione della frequenza di lavoro. Per la realizzazione delle linee di ritardo necessari per la realizzazione degli oscialltori saranno realizzati microrisonatori ottici in cristalli di niobato di litio e la modulazione del ritardo sarà ottenuta mediante l’applicazione di una tensione elettrica. Nel caso passivo si sfrutteranno le minori perdite di propagazione di materiali come CaF2 per ottenere risonatori con altissimo fattore di qualità (Q>10e8). Tecnologie di fabbricazione di guide ottiche e componenti ottici integrati In questa tipologia sono racchiuse le attività riguardanti la realizzazione di guide e componenti, soprattutto diffrattivi, mediante tecniche non standard o in materiali innovativi. In particolare continueremo la caratterizzazione di guide realizzate in vetri telluriti drogati con terre rare mediante irraggiamento a fascio ionico e in film Si-Ge mediante irraggiamento UV. Inoltre sono in corso e verranno ulteriormente sviluppati la realizzazione di reticoli di diffrazione di Bragg mediante irraggiamento UV attraverso maschera di fase su guide a canale in polimeri o in fibra e a lungo periodo in fibra, anche microstrutturate, mediante esposizione a archi elettrici. Tali strutture sono fondamentali per la realizzazione di sorgenti o sensori e ampliare le tecnologie disponibili o i materiali su cui tali strutture possono essere realizzate rende possibile realizzare dispositivi in maniera più versatile. In questo campo abbiamo già ottenuto risultati di rilievo, e per questo continueremo questa ricerca per arrivare a ottimizzare, caratterizzare e integrare con le tecnologie esistenti quanto ottenuto finora. Applicazioni di frequenze TeraHertz È in progetto l’acquisto di un sistema commerciale di spettroscopia THz per dotare l’istituto delle tecnologie essenziali per l’integrazione di questa banda spettrale alle competenze nei campi tecnologici e applicativi citati, da cui partire per lo sviluppo autonomo di nuove strumentazioni, tecniche di indagine e strumentazione (tecniche di indagine di carattere biomendico e nei beni culturali), guide d’onda e dispositivi guidati in banda THz).


Punti critici e azioni da svolgere Per quanto riguarda la linea di ricerca sulle applicazioni biomediche dei microrisonatori, le incognite principali consistono nella possibilità di elaborare un protocollo di funzionalizzazione efficiente per le molecole che si vogliono rivelare. Gli esperimenti al riguardo sono già in corso e abbiamo già alcuni risultati promettenti, per il mantenimento di un fattore di qualità del microrisonatore sufficientemente alto (> 10e6) dopo la funzionalizzazione, e per il funzionamento in liquido del microrisonatore. Di estrema importanza sarà il ritorno alla piena efficienza della camera bianca e delle apparecchiature ivi installate, che prevediamo sia completato finalmente nella prima parte del 2009. Per la ricerca sul THz sarà cruciale l’acquisizione dei fondi necessari per l’acquisizione della sorgente THz, che permetterebbe di cominciare l’attività sperimentale vera e propria nell’Istituto e svincolarci così dal dipendere da collaborazioni esterne, che sono comunque già attive e che vogliamo ovviamente continuare. Anche per il futuro, è fondamentale riuscire a ottenere un flusso di fondi che finanzino le attività in corso più costante e che permetta quindi una migliore programmazione nell’acquisizione di nuova strumentazione e nell’avvalerci di personale non strutturato.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Gli afferenti alla Commessa possiedono competenze pluridecennali nel campo dell’ottica e della fotonica. In particolare, i partecipanti alla commessa hanno specifica esperienza nel campo della realizzazione e caratterizzazione di dispositivi ottici guidanti, sia utilizzanti fibre ottiche, sia realizzati in geometria planare, per le quali hanno spesso sviluppato tecniche proprie ed innovative a livello internazionale. Grande esperienza è stata accumulata nello sviluppo e caratterizzazione di vetri innovativi per usi speciali (ottica nonlineare, amplificazione ottica, sensoristica). L’attività nel settore è documentata da una produzione bibliografica di alta qualità.

Strumentazione Le strumentazioni disponibili sono focalizzate alla realizzazione e caratterizzazione di dispositivi ottici guidanti. In particolare sono degni di nota: • una camera bianca (classi UNI 5 e 6) in fase di riattivazione dopo il trasferimento dell’Istituto, in cui sono

disponibili le apparecchiature per processi fotolitografici (spinner, allineatore di maschere), per la deposizione di film sottili (RF-sputtering, evaporatore) e per la loro caratterizzazione (profilometro);

• sistemi per la caratterizzazione di guide a canale (misura delle perdite di inserzione e propagazione, misura delle caratteristiche di guadagno ottico);

• sistema per la caratterizzazione di materiali fotorifrattivi e la realizzazione di reticoli di Bragg in fibra ottica. • numerose sorgenti laser nel visibile, UV, vicino infrarosso, alcuni dei quali tunabili; • sistema e tecnologie legate alla realizzazione e caratterizzazione di risonatori microsferici.

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine utilizzate sono prevalentemente basate su metodi ottici e sono finalizzate alla caratterizzazione di strutture ottiche guidanti e delle proprietà spettroscopiche di materiali vetrosi. Le più rilevanti consistono nella: • Misura delle costanti di propagazione e delle perdite di inserzione e propagazione di guide ottiche in substrati

prevalentemente vetrosi e ricostruzione del loro profilo indice di rifrazione. • Misura delle caratteristiche di guadagno ottico di guide ottiche in substrati drogati con terre rare. • Caratterizzazione di microrisonatori ottici, determinandone il fattore di qualità, e le eventuali caratteristiche di

emissione laser. • Caratterizzazione spettroscopica di substrati drogati con terre rare (spettri di fluorescenza, tempo di vita della

transizione laser). • Caratterizzazione delle caratteristiche fotorifrattive di vetri sperimentali.


Tecnologie Come accennato in altre sezioni, la commessa ha a disposizione una serie di strumenti per la realizzazione di processi superficiali. Forni per scambio ionico permettono di realizzare guide ottiche in substrati vetrosi. I processi fotolitografici permettono di fabbricare guide ottiche a canale sia mediante scambio ionico, sia mediante deposizione di film e successivo attacco in plasma. Tale possibilità viene utilizzata anche per il patterning di films depositati presso altri laboratori con tecniche non direttamente disponibili presso l’Istituto (ad es. films in sol-gel da IFN-CNR di Trento). Inoltre, l’irraggiamento mediante sorgenti laser UV permette di realizzare guide d’onda in substrati fotorifrattivi e reticoli di Bragg in fibre dorgate con germanio mediante esposizione UV attraverso maschere di fase. Abbiamo inoltre a disposizione la tecnologia per la realizzazione di microrisonatori sferici e a disco in silice o materiali cristallini (CaF2, niobato di litio) e per la realizzazione di fibre ottiche rastremate per l’accoppiamento/disaccoppiamento della luce ai microrisonatori stessi.

Collaborazioni (partner e committenti) Istituto di Fotonica e Nanotecnologie - CNR, sez. di Trento e Milano Politecnico di Milano Dipartimento di Fisica, Università di Trento Dipartimento Scientifico e Tecnologico, Università di Verona Research Institute for Solid State Physics and Optics, Budapest(Ungheria) Institute of Chemical Technology, Prague (Rep. Ceca) FZK, Frankfurt (Germania) ENSSAT, Lannion (Francia) Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Sezione Materiali, Università di Padova Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Politecnico di Bari

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate • STREP nella call ICT-4 della CE su un biosensore basato su microcavità a modi di galleria (400 K€ di contributo

richiesto in 3 anni); • Progetto ASI su biosensori e oscillatore optoelettronico basato su microcavità a modi di galleria (140 K€ di

contributo richiesto in 18 mesi, il progetto è ancora sotto esame e siamo in attesa di una risposta). • Stiamo ripresentando un progetto PRIN per la realizzazione di sorgenti a 2 micron in guida d’onda (richiesti 50

K€ in 2 anni). • Siamo in attesa di una risposta su un progetto per l’acquisizione di sorgenti e rivelatori alle frequenze THz

presentato all’Ente Cassa di Risparmio (250 K€ richiesti). • Sono in corso contatti per la partecipazione nell’ambito di un grant per studi su applicazioni del THz con

l’Università di Sidney. • Iniziative per l’utilizzo da parte di esterni della camera bianca.

Finalità

Obiettivi Obiettivi principali: sviluppo di dispositivi di tipo innovativo per l’applicazione nel settore delle comunicazioni ottiche; caratterizzazione di materiali vetrosi da utilizzare per dispositivi fotonici in guida ottica; sviluppo di sistemi laser e delle metodologie per il monitoraggio ambientale. Possono essere sfruttate le competenze acquisite durante alcuni decenni di ricerca fondamentale e applicata nel campo dell’ottica guidata, dell’elettronica quantistica e della sensoristica attiva.


Risultati attesi nell’anno Nel corso dell’anno contiamo di ottenere risultati quantitativi sul funzionamento di strutture a microrisonatori come sensori. Le prove qualitative già effettuate sono una ottima base per arrivare a questo risultato. Sono già stati ottenuti microdischi con ottimo fattore di qualità (> 10e6) in CaF2 nell’ambito del progetto ARAMOS. Si procederà quindi a rendere il processo di realizzazione affidabile e si spera di ottenere risultati simili con microrisonatori in niobato di litio. Per le ricerche sulle fibre microstrutturate, vogliamo ottimizzarne l’emissione già ottenuta e sfruttarla per la caratterizzazione di guide d’onda e sviluppare ulteriormente le applicazioni nella indagine di organismi cellulari, grazie anche alla collaborazione con ISC. Sono in corso anche esperimenti sulla realizzazione di reticoli a passo lungo nelle fibre strutturate. Contiamo di ottimizzare il processo di realizzazione di tali reticoli e renderli stabili e utilizzabili per applicazioni di tipo sensoristico. Le ricerche nella banda THz richiederanno in questo primo anno da una parte la messa in opera della catena di emissione e rivelazione della radiazione, dall’altra la realizzazione di guide in grado di confinare la radiazione al loro interno. Ovviamente questi obbiettivi sono in buona misura legati al flusso dei finanziamenti e dei progetti approvati che potranno rendere necessario focalizzare l’attività maggiormente su uno degli obbiettivi citati.


Modulo: Materiali e dispositivi attivi per le telecomunicazioni e la sensoristica Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Applicazioni di frequenze TeraHertz Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sensori e metodologie optoelettroniche per la salute, l’ambiente e i beni culturali Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: GIOVANNA CECCHI Temi

Tematiche di ricerca Realizzazione di: rete in fibra ottica di sensori di Bragg per il monitoraggio remoto di opere ed elementi strutturali; biosensori integrati in microsistemi optofluidici a cristallo fotonico, nanostrutture per la veicolazione di biosensori all’interno di cellule e la rivelazione di parametri chimici/biochimici per il controllo del metabolismo e per la valutazione dell’azione di farmaci; biochip a fluorescenza per la rivelazione simultanea di parametri clinici per applicazioni POCT, sensori chimici di pH e CO2 nel sangue in circolazione extracorporea; strumenti portatili e di costo contenuto per applicazioni agroalimentari; dispositivi per l’acquisizione della ‘firmà del prodotto alimentare, tramite misure di spettri di assorbimento. Spettroscopia di fluorescenza per indagini ambientali con particolare riferimento allo studio dell’ambiente e dei beni culturali. Sviluppo di sensori optoelettronici a fluorescenza per l’ambiente; progettazione e sviluppo di sensori lidar ad immagini iperspettrali di fluorescenza; metodologie specifiche per l’analisi di immagini di fluorescenza iperspettrali ad alta dimensionalità.

Stato dell’arte Per il controllo della sicurezza degli alimenti e la verifica della qualità è importante disporre di sensori di costo contenuto da inserire nelle varie fasi della produzione per rivelare tempestivamente la presenza di elementi patogeni e eventuali lotti di produzioni fraudolente quali miscele con prodotti di qualità inferiore o provenienti da zone escluse dalle zone geograficamente protette. Non esistono ancora applicazioni di cristalli fotonici alla biosensoristica; i vantaggi sono la miniaturizzazione, elevata sensibilità e basso limite di rivelazione. La veicolazione di sensori e il trasporto di farmaci all’interno delle cellule è un argomento innovativo. La misura di parametri clinici con biochip integrati in dispositivi portatili riveste un aspetto strategico. Le attività sono motivate e coordinate da progetti nazionali ed internazionali, in contesti che vanno dalle indagini sulla vegetazione alla diagnostica di monumenti in esterno con tecnologie disponibili in pochissimi laboratori a livello internazionale. In ciascun progetto vi è una forte collaborazione con aziende e con altri gruppi di ricerca internazionali. Azioni

Attività da svolgere Per una migliore organizzazione delle attività, da questo anno la commessa si articola su tre moduli, che riguardano la ricerca applicata in settori quali l’agroalimentare, la biofotonica, l’ambiente ed i beni culturali. L’attività da svolgere nel periodo di riferimento sarà improntata allo sviluppo di strumentazione e dispositivi optoelettronici e di metodologie avanzate per l’estrazione di parametri d’interesse per indagini nei tre settori di interesse. Saranno impiegate metodologie e tecnologie di punta, quali la spettroscopia di assorbimento tramite luce diffusa effettuata in un intervallo spettrale che copre l’ultravioletto, il visibile e l’infrarosso, nanotecnologie per la veicolazione di sensori e il trasporto di farmaci all’interno di cellule tramite nanoparticelle, statistiche multivariate per l’analisi di dati iperspettrali di fluorescenza ad alta dimensionalità. Si rimanda alla scheda pertinente di ciascun modulo per un maggior dettaglio.

Punti critici e azioni da svolgere Le attività che saranno svolte nell’ambito dei tre moduli presentano alcuni punti critici (come specificato nel dettaglio dei moduli stessi) che l’esperienza pluriennale e l’alta competenza acquisita dai gruppi di ricerca coinvolti è comunque in grado di affrontare, risolvere o limitare. Tuttavia il punto critico più significativo e relativo al normale svolgimento delle attività previste risiede soprattutto nella necessità di personale strutturato, come dimostrato dalle richieste stesse. Infatti, e in modo sempre più marcato, si verifica la condizione di dover dedicare una parte consistente della forza-lavoro nella ricerca di fonti di finanziamento, mettendo quindi a rischio l’espletamento degli impegni assunti nell’ambito di progetti e delle attività previste.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Realizzazione di sensori in fibra ottica di vario tipo: sensori ad assorbimento diretto o a trasduttore per la misura di parametri d’interesse ambientale, industriale e biomedico; sensori per l’analisi di particolati in sospensione; sensori a modulazione di lunghezza d’onda per la misura di deformazioni e temperatura di strutture estese. Esperienza nell’applicazione della spettroscopia indotta da laser per lo studio dell’ambiente e del patrimonio culturale effettuata sia in laboratorio che in campo, competenza nella progettazione e sviluppo di sensori per il telerilevamento lidar incluse immagini di fluorescenza.

Strumentazione Laboratorio attrezzato per il progetto, la fabbricazione e la caratterizzazione di reticoli di Bragg in fibra ottica (FBG) con il metodo fotolitografico e tecnica di scrittura “stretch and write”. Strumentazione principale: laser ad eccimeri (KrF) Compex 100 Lambda Physik; analizzatore di spettro a fibra ottica Anritsu; sistema di interrogazione “picoWave” Micron Optics; LED superluminescente a 1550 nm, laser di pompa a 980 nm, 300 mW; componentistica varia in fibra ottica. Banchi ottici attrezzati per la caratterizzazione di sensori in fibra ottica per parametri fisici e chimici. Laboratorio FLIDAR comprendente tre sensori lidar a fluorescenza, di cui uno sviluppato recentemente in collaborazione con un’industria, in grado di acquisire immagini in fluorescenza del bersaglio osservato o di effettuare il profilo di bersagli di volume (FLIDAR-Profiler). Laboratorio di spettroscopia (spettrofluorimetria). Sorgenti laser nel VIS e vicino UV.

Tecniche di indagine Realizzazione di schiere di sensori di deformazione e temperatura per il monitoraggio di strutture estese e materiali compositi. Realizzazione di laser DBR (distributed Bragg reflector) mediante scrittura di reticoli di Bragg in fibra drogata all’erbio per la rivelazione di onde acustiche superficiali e sottomarine (idrofoni). Spettroscopia di assorbimento abbinata a un’elaborazione dati originale, che correla la firma spettrale ottica del campione ai parametri analitici di interesse. Elaborazione dei dati di tipo multivariato, software realizzato in ambiente Matlab. Tecniche di indagine basate sulla spettroscopia di assorbimento e di fluorescenza (sia di intensità che risolta nel tempo) o sulla modulazione della intensità ottica trasmessa in seguito a variazioni di indice di rifrazione. Spettroscopia di fluorescenza indotta da laser (tecnica LIF), telerilevamento lidar a fluorescenza, telerilevamento lidar con risoluzione sia spettrale che temporale (lidar profiler), telerilevamento lidar ad immagini iperspettrali di fluorescenza, tecniche di elaborazione dati e di inversione del segnale.

Tecnologie Il sensore micro-ottico sviluppato è in grado di effettuare misure in tempo reale per un utilizzo specifico (intera filiera di produzione elaboratori di analisi). Esso è costituito da un’unità optoelettronica connessa ad una sonda micro-ottica. Sono realizzate sonde di misura diverse, che possono essere connesse ad un’unica unità optoelettronica di lettura. Il sensore opera in maniera automatica o semi-automatica, o su domanda, secondo una programmazione specifica. Il basso consumo elettrico dei componenti permette un’alimentazione a batterie, per poter operare in stand-alone, eventualmente con connessione wireless alla rete internet. La realizzazione dei biosensori prevede la realizzazione di strati sensibili opportunamenti fissati su supporti solidi che vengono a contatto con i fluidi biologici di interesse; si tratta quindi di dispositivi funzionanti in ambiente eterogeneo. Progettazione e realizzazione di sensori lidar per l’analisi ambientale e di beni culturali. Realizzazione di campagne di misura specifiche. Metodologie di analisi dati iperspetrali di fluorescenza ad alta dimensionalità per applicazioni ambientali con tecniche statistiche multivariate.

Collaborazioni (partner e committenti) Oltre a molte collaborazioni di ricerca, sia nazionali che internazionali, la commessa, per le sue caratteristiche, comporta l’interazione, attraverso contratti, sia con industrie che con Enti pubblici (in particolare per quanto riguarda l’impatto ambientale ed il patrimonio culturale). Numerose sono anche le collaborazioni in programmi bilaterali (con Francia, Messico, Repubblica Ceca, Ungheria).

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate In generale le iniziative saranno concentrate in due direzioni : 1) partecipazione a progetti a livello nazionale ed internazionale 2) rafforzamento della collaborazione con altri enti nazionali ed internazionali per la futura messa a punto di programmi comuni in vista di possibilità di finanziamento.


Finalità

Obiettivi • Progettazione, realizzazione e test dimostrativi di sensori ottici ed optoelettronici. • Sviluppo di componentistica microottica ed a fibre ottiche, e di circuiti ottici integrati, per applicazioni

sensoristiche. • Progettazione di strumentazione per sistemi lidar a fluorescenza. • Sviluppo di metodologie avanzate per l’estrazione di parametri d’interesse per indagini ambientali.

Risultati attesi nell’anno I risultati attesi riguardano: • sperimentazione di spettroscopia di assorbimento tramite luce diffusa con campioni di olio extra vergine di oliva

di provenienza nota e certificati dal punto di vista dei parametri nutrizionali e di eventuali inquinanti; • messa a punto di un software in grado di correlare la firma ottica misurata dei campioni di olio extra vergine di

oliva con il database dei relativi parametri analitici; • piattaforma ottica stand alone per la lettura di biochip ottici per l’analisi simultanea di più parametri clinici; • caratterizzazione preliminare dei nanotubi al carbonio con immobilizzata una sostanza fluorescente sensibile al

calcio; • immobilizzazione della proteina C reattiva su microcavità risonanti a cristallo fotonico; • messa a punto di metodologie per l’estrazione di parametri di interesse per studi ecofisiologici sulla vegetazione

basati su tecniche di fluorescenza a livello fogliare; • messa a punto di metodologie avanzate basate su tecniche statistiche multivariate per l’analisi di dati iperspettrali

di fluorescenza per indagini ambientali; • caratterizzazione della fluorescenza di biodeteriogeni eterotrofi finalizzata ad indagini diagnostiche su beni

culturali; • studi di fattibilità inerenti alla realizzazione di strumentazione aerospaziale per indagini ambientali con tecniche

di fluorescenza: in particolare con tecniche lidar e spettroradiometri iperspettrali.

Potenziale impiego - per processi produttivi Molti dei sensori studiati e sviluppati hanno caratteristiche di rilevante interesse in settori prioritari, quali la salute, l’ambiente, i beni culturali, e sono quindi di potenziale interesse produttivo. Esempi specifici riguardano: - i sensori microottici svlippati per il settore agroalimentare che rivstono un’innovazione fondamentale nella filiera dell’olio extra vergine di oliva, costituita dall’analisi simultanea, effettuata online, in tempo reale e con un unico sensore di vari indicatori di qualità, dei più importanti fattori nutrizionali e di potenziali inquinanti; - il telerilevamento lidar a fluorescenza e in generale la spettroscopia di fluorescenza applicata nel settore ambientale trovano impiego nel controllo di processi produttivi come il monitoraggio dello stato delle acque reflue in impianti industriali, o nel campo agro-forestale (precision farming, studio dello stato di salute della vegetazione, etc.). Per i beni culturali, lo studio delle caratteristiche di fluorescenza di litotipi, relativo alle indagini su monumenti lapidei, puòtrovare applicazione nella valorizzazione di prodotti litologici di pregio e la loro tracciabilità. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I sensori sviluppati per applicazioni biomedicali ed ambientali rispondono ad esigenze sociali ed economiche, e per alcuni di essi è già in atto una sperimentazione clinica (biomedicali) o un’attività svolta in collaborazione con Enti locali ed Organismi internazionali. Moduli

Modulo: Sensori e metodologie optoelettroniche per la salute e l’ambiente Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sensori a fibra ottica e microottici per applicazioni agroalimentari Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Diagnostica biofotonica Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sensori e metodologie di fluorescenza per l’Ambiente e i Beni Culturali Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sviluppo di strumentazione per lo spazio e l’ambiente Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: UGO CORTESI Temi

Tematiche di ricerca Sviluppo di di metodi di misura e di strumentazione ottica per applicazioni di telerilevamento dallo spazio e di monitoraggio ambientale.

Stato dell’arte Lo sviluppo di nuovi dispositivi (rivelatori, sorgenti) e di nuove soluzioni elettromeccaniche rendono possibili continui miglioramenti in termini di compattamento e prestazioni della strumentazione ottica utilizzata per applicazioni spaziali ed ambientali. Presso l’IFAC esiste una tradizione di realizzazioni di strumenti per la ricerca nel campo della strumentazione LIDAR e nel campo della spettroscopia di Fourier. Azioni




Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Questa commessa prevede la collaborazione con una commessa dell’INOA che partecipa con allo stesso progetto “Ottica” del Dipartimento “MD” e con altre due commessa dell’IFAC specializzate rispettivamente nel il sondaggio verticale dell’atmosfera terrestre (che partecipa al progetto “Osservazione della Terra” del Dipartimento T&A) e enl trattamento delle immagini (che partecipa al Dipartimeto ICT).

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate In generale le iniziative saranno concentrate in due direzioni : 1) partecipazione a progetti a livello nazionale ed internazionale 2) rafforzamento della collaborazione con altri enti nazionali ed internazionali per la futura messa a punto di programmi comuni in vista di possibilità di finanziamento.

Finalità

Obiettivi Obiettivo generale è lo sviluppo ed applicazione di competenze nella progettazione e realizzazioni di strumentazione elettrottica ed ottico meccanica per applicazioni spaziali, ambientali ed industriali. Obiettivi specifici sono la realizzazione di alcuni nuovi strumenti (strumento iperspettrale ad immagine, REFIR, LIDAR, OPS), lo sviluppo di tecniche per il controllo della biodisponibilità e della funzionalità dei materiali organici, la realizzazione di rivelatori di tempo di volo per lo strumento AMS sulla Stazione Spaziale. Auspicale in una scala pluriannuale è lo sviluppo di spettrometri a trasformata di Fourier ad immagine e la partecipazione alla realizzazione di strumentazione spaziale per le missioni europee.


Risultati attesi nell’anno

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Applicazioni nel campo delle misure del contenuto di particolato atmosferico, misure di nubi troposferiche e stratosferiche, monitoraggio della composizione atmosferica e del bilancio radiativo terrestre, monitoraggio della superficie terrestre, controllo della biodisponibilità e della funzionalità dei materiali organici. Moduli

Modulo: Sviluppo di strumentazione per lo spazio e l’ambiente Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata “Nello Carrara” Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Dispositivi ottici e metodologie per il patrimonio culturale Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INOA Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: LUCA PEZZATI Temi

Tematiche di ricerca Le ricerche svolte dal GBC ‘ INOA sono incentrate sullo studio, sviluppo ed applicazione di nuove tecniche, metodologie e strumentazioni per la diagnostica ottica di oggetti di interesse storico-artistico. Gli strumenti diagnostici sviluppati ed la strumentazione realizzata sono poi utilizzati all’interno di importanti progetti di diagnostica e di monitoraggio del patrimonio culturale. Le attuali linee di ricerca del GBC coprono due aree molto rilevanti per la diagnostica: le tecniche ad immagine ed i metodi per il rilievo 3D. La tecnica riflettografica a scansione, della quale è autore il GBC-INOA, risulta essere unica a livello internazionale.

Stato dell’arte La ricerca sulla diagnostica per il patrimonio culturale trova nel nostro Paese l’ambiente ideale per svilupparsi. Le tecnologie ottiche sono elemento trainante ed indispensabile. La ricerca sulla diagnostica ottica produce alcuni tra i più importanti strumenti con i quali poter analizzare oggetti artistici ed archeologici. Non è un caso se l’Italia gioca da tempo un ruolo di primo piano nel mondo. La ricerca condotta mira a realizzare soluzioni metrologiche con strumentazione a basso costo, capace di un elevato potere di penetrazione presso gli utenti. L’utenza è quasi sempre di tipo pubblico, i fondi per la tutela sono cronicamente scarsi. Negli ultimi anni sta assumendo importanza l’integrazione delle tecnologie diagnostiche. Questa ricerca è in fase iniziale sia a livello nazionale che internazionale: le tecnologie diagnostiche non sono ancora utilizzate in applicazioni di routine nel restauro e conservazione; é difficile poter disporre di dati diagnostici di varie fonti da poter integrare, con strumenti software o con tecniche hardware. Campagne diagnostiche complete con strumenti all’avanguardia sono state condotte per poche opere di risonanza internazionale, ad es. il David Azioni

Attività da svolgere Considerato che la maggior parte degli obiettivi prefissati per il GBC INOA deriva dai capitolati dei progetti approvati, le attività da svolgere sono quelle tese alla realizzazione degli obiettivi minimi per ciascun progetto, più quelle consentite caso per caso dall’evolvere dei progetti stessi. Le principali attività previste nell’immediato futuro sono: • Realizzazione di rugosimetro portatile (MESIDE) • Realizzazione di stazione di misura integrata (BLU-ARCHEOSYS) • Studio di protocolli per la misura del colore (START) • Realizzazione di uno scanner multispettrale VIS-NIR (START) • Test del sistema multispettrale NIR (EU-ARTECH) • Diagnostica con gli strumenti del laboratorio mobile (MOLAB, di EU-ARTECH)

Punti critici e azioni da svolgere • Personale: impossibilità di strutturare personale nelle unità territoriali, ove questo è richiesto per svolgere i

progetti (Firenze, Lecce). Mina le capacità di operare efficacemente e di raccogliere fondi su progetto laddove, come ad esempio a Lecce, non si hanno unità di personale a T.Indet.

• Governance: il particolare status di INOA all’interno del CNR non favorisce, anzi complica, i processi gestionali necessari allo svolgimento dei progetti.

• Cofinanziamenti: le capacità potenziali di attrarre fondi sono depresse dal limite posto dalla massa stipendi del personale del gruppo a T. Indet. (circa 200 kEuro/anno), che risulta al momento essere l’unica possibile fonte di cofinanziamento progetti, e che per il triennio è praticamente satura.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze presenti nel Gruppo Beni Culturali coprono le necessità di questo tipo di ricerca. Si tratta principalmente di: - Progettazione e realizzazione di sistemi e dispositivi ottici ed optoelettronici prototipali; - Progettazione e calcolo ottico; - Progettazione e sviluppo di software; - Radiometria, fotometria e colorimetria; - Acquisizione, trattamento e restituzione dell’informazione digitale.

Strumentazione Le strumentazioni utilizzate in questa ricerca sono prevalentemente autocostruite (prototipi) e composte da componenti di costo medio-basso, quali telecamere, meccaniche di precisione, ottiche e sensori. La ricerca del GBC ‘ INOA si svolge presso la sede di Firenze (Arcetri), il Laboratorio all’Opificio delle Pietre Dure (Firenze, Fortezza da Basso). i laboratori della UOT di Lecce (Arnesano) ed il laboratorio alla Soprintendenza di Venezia (Scuola Vecchia della Misericordia).

Tecniche di indagine - Tecniche ottiche ed optoelettroniche

Tecnologie - Tecnologie optoelettroniche; - Modellazione numerica; - Tecniche 3D

Collaborazioni (partner e committenti) Collaborazioni formalizzate con enti afferenti al Ministero per i Beni e le Attività Culturali: Opificio delle Pietre Dure, Firenze, Soprintendenza Speciale per il Polo Espositivo Veneziano; Soprintendenza Archeologica della Toscana. Collaborazioni formalizzate con enti ed istituti di ricerca ISTI ‘ Istituto di Scienza e Tecnologia dell’Informazione, CNR, Pisa; Centro di Servizi Interdipartimentali di Rilievo Cartografia ed Elaborazione (CIRCE); Istituto Universitario Architettura di Venezia (IUAV) - Venezia; ISUFI ‘ Università di Lecce Collaborazioni di ricerca (informali) Università di Bologna, Dip. di Fisica; Univ. di Ferrara, Dip. di Scienze Biomediche; Univ. di Lecce, Facoltà di Beni Culturali. Altre collaborazioni. Il GBC INOA ha inoltre collaborazioni nazionali ed internazionali, su specifici progetti di ricerca, con Università, Gruppi di ricerca, Soprintendenze, Musei, Gallerie ed altri enti che si occupano di conservazione del patrimonio culturale.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Essendo al limite delle possibilità di cofinanziamento, non sono previste azioni per l’acquisizione di rilevanti entrate nel triennio (oltre a quanto già acquisito) fino a che non sarà risolto il problema del cofinanziamento.

Finalità

Obiettivi La ricerca del GBC si sviluppa attraverso singoli progetti di ricerca finanziati che assicurano un’altissima percentuale di autofinanziamento. Progetti in corso: EU-ARTECH: progetto quinquennale termina nel 2009. Prevede lo svolgimento di interventi per diagnostica di eccellenza presso istituzioni nazionali ed internazionali. Vi è anche una attività di ricerca sulla quale si sta sviluppando un dispositivo per imaging multibanda nel vicino IR. (www.eu-artech.org); BLU-Archeosys: progetto quadriennale avviato nel 2007. Obiettivo la realizzazione di una stazione per la diagnostica integrata di reperti archeologici; START (Prog. pilota Reg. Toscana): progetto triennale molto complesso ed articolato avviato a dcembre 2007. Obiettivo la realizzazione in Toscana di un laboratorio regionale pubblico-privato per le tecnologie della conservazione, LARTEC. INOA è capofila (www.lartec.org); MESIDE (strategico Reg. Puglia): progetto triennale avviato nel 2007. Obiettivo la realizzazione di un rugosimetro portatile per misure in esterno del degrado di superfici lapidee. Il GBC partecipa inoltre a alcuni progetti coordinati per la diagnostica di opere del patrimonio culturale


Risultati attesi nell’anno • Realizzazione di rugosimetro portatile (MESIDE) • Prototipo di stazione di misura integrata (BLU-ARCHEOSYS) • Avanzamento sullo studio di protocolli per la misura del colore (START) • Prototipo di scanner multispettrale VIS-NIR (START) • Prototipo di sistema multispettrale NIR (EU-ARTECH) • Due/tre interventi di diagnostica con gli strumenti del laboratorio mobile (MOLAB, di EU-ARTECH)

Potenziale impiego - per processi produttivi Molti se non tutti gli strumenti e le tecnologie sviluppate per il patrimonio culturale trovano applicazione nella diagnostica industriale e/o ambientale. Questi possibili fallout non sono però perseguiti con costanza per la sostanziale mancanza di tempo da dedicare a progetti di trasferimento al di fuori dal settore dei beni culturali, che assorbe tutto l’impegno del Gruppo. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La ricerca svolta aumenta le capacità del Paese di tutelare e valorizzare il suo patrimonio culturale. Non è facile stimare le ricadute delle varie azioni di ricerca, anche di tipo industriale, previste da questa commessa. Si va dall’impatto sull’economia locale (per progetti tipo i PON e POR che si svolgono quasi interamente in zone Obiettivo 1) che si esprime sia in termini di indotto, anche turistico, che di creazione di posti di lavoro, a tempo determinato e, quando possibile, indeterminato. Moduli

Modulo: Dispositivi ottici e metodologie per il patrimonio culturale Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INOA Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Dispositivi ottici per applicazioni industriali: diagnostica, sviluppo e caratterizzazione di nuove sorgenti e componenti ottici Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INOA Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: Antonio Lapucci Temi

Tematiche di ricerca La commessa opera nel campo delle applicazioni industriali di sistemi e dispositivi ottici. Le tematiche di ricerca sono: studio e realizzazione di risonatori ottici per laser e di dispositivi ottici per il trattamento di fasci laser. Le attività di ricerca suddette sono supportate da attività di progettazione ottica e di caratterizzazione di fasci e componenti ottici. La commessa si avvale del laboratorio di metrologia ottica (accreditato SIT) in grado di caratterizzare componenti ottici (lamine, specchi, prismi, lenti e sistemi). La commessa svolge anche attività di progetto di sistemi e componenti per l’illuminazione, nelle applicazioni industriali e biomedicali. Progettazione ottica, sviluppo e verifica di sistemi di controllo. Studio e progetto di sistemi per la concentrazione e lo sfruttamento della luce solare, avvalendosi del laboratorio di Fotometria ed Illuminotecnica - accreditato ISO9001e in grado di eseguire misure spettrofotometriche su materiali e misure spettroradiometriche su sorgenti, misure di distribuzione angolare e misure colorimetriche. Ancora una tematica riguarda l’ergonomia della visione in applicazioni ergonomiche ed industriali.

Stato dell’arte Nello studio di risonatori per sorgenti laser innovative il nostro gruppo di ricerca ha un ruolo di livello internazionale, tanto che l’Agenzia Spaziale Europea ci ha coinvolto nello sviluppo della sorgente per l’altimetro della programmata missione Bepi-Colombo verso Mercurio. Nella commessa ci si avvale anche di esperienza oramai ben stabilità nella caratterizzazione di fasci laser e componenti ottici e nella progettazione ottica. Esperienza che è anche oggetto di contratti verso industrie private e altri enti pubblici. Inoltre, il crescente interesse a livello nazionale ed europeo su i problemi legati alla qualità di prodotto e di processo impone anche nel settore dell’ottica e della scienza della visione la presenza di strutture di ricerca e di laboratori qualificati. La commessa è attiva nell’ambito della certificazione di conformità a standard e normative sia per componeti con attività di svolta nella rete di laboratori accreditati dal Servizio di Taratura in Italia (Centri SIT), che operano a norma ISO/IEC 17025 ed assicurano la riferibilità delle misure ai campioni nazionali, che per sorgenti coerenti ed incoerenti. Azioni




Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Come dettagliato nella documentazione dei singoli moduli, sono attive le seguenti collaborazioni: i laboratori ENEA di Faenza, Frascati, Casaccia e Brindisi, El.EN. RTM e Cantieri Rodriguez per i laser di alta potenza. Galileo Avionica sul progetto E.S.A.-MILD (Microlaser development). SACMI (Imola), E.N.E.A., CE.TA.CE. (Firenze ‘ Prato), SHAP (Roma), IMQ (Milano), General Project (Montespertoli ‘ FI), Sirio Panel (Montevarchi ‘ AR), Facoltà di Ingegneria Roma3 (Roma), clinica oculistica universitaria di Firenze, Istituto di Neurofisiologia del CNR, IRSOO


(Istituto Regionale Studi Ottici e Optometrici),Targetti Sankey S.p.A. per fotometria e illuminotecnica. L’ attività di certificazione si svolge su domanda specifica di committenti di volta in volta differenti.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Essendo al limite delle possibilità di cofinanziamento, non sono previste azioni per l’acquisizione di rilevanti entrate nel triennio (oltre a quanto già acquisito) fino a che non sarà risolto il problema del cofinanziamento.

Finalità

Obiettivi I progetti in cui siamo coinvolti ci danno per i prossimi anni degli obbiettivi specifici assai precisi. Fra questi: la realizzazione e lo sviluppo di una sorgente laser impulsata a stato solido pompata da diodi per applicazioni da satellite con energia di impulso di 50 mJ e fascio quasi diffraction-limited. La realizzazione di sorgenti laser continue basate su mezzo attivo ceramico operanti nella gamma di potenze 100-200 W accoppiabili in fibra ottica per applicazioni industriali, e lo studio e sviluppo di una sorgente da 2kW basata sulle stesse tecnologie in collaborazione con il principale costruttore italiano di sorgenti laser. Le attività metrologiche, oltre ad essere funzionale alle attività di ricerca, si propongono di incrementare le capacità di progettazione e mettere a punto metodi specifici per i controlli ottici, allargando le nostre potenzialità di collaborazione con altri gruppi in Italia ed all’estero e raggiungendo uno standard qualitativo che consenta di svolgere al massimo grado di competenza e affidabilità le attività di misura, consulenza e progettazione.


Potenziale impiego - per processi produttivi Le tecnologie ottiche hanno numerose applicazioni in campo industriale. Si va dalle applicazioni di tipo metrologico (misura e controllo di processi) ma anche direttamente produttivo. Ad esempio il laser trova appliocazione nei processi di marcatura, taglio, saldatura, ma anche in processi di formatura come la sinterizzazione selettiva o la stereolitografia. Le nostre attività e competenze risultano chiave in molte di queste applicazioni. Le attività di collaudo e certificazione, in quanto tali, sono di supporto diretto alle attività produttive, sia come presupposto di riferimento sia come apporto di valore aggiunto al prodotto finale. Nel triennio passato hanno usufruito delle nostre attività di ricerca anche applicatori legati al settore dei controlli industriali nelle catene di produzione, quelli relativi alla realizzazione di moduli di illuminazione per avionica e strumentazione biomedicale. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le stesse attivtà e competenze trovano applicazione anche in settori come la ricerca spaziale - Il progetto- E.S.A.-Mild (MIcro Laser Development) prevede la realizzazione di una sorgente laser impulsata da utilizzare sula sonda Bepi-Colombo che dovrà raggiungere il pianeta Mercurionel 2012. Le attività sui Collettori Solari si svolgono nel contesto della ricerca e qualificazione di nuove fonti energetiche rinnovabili. In generale l’attività metrologica e di certificazione risponde alla crescente richiesta di qualità e sicurezza per oggetti, impianti e produzioni che utilizzano metodologie e apparati ottici. Mantenendola attiva si riconosce la necessità di conservare al più alto livello, nel panorama nazionale, le competenze produttive e conoscitive nel campo dell’ottica fine, e di disporre di un riferimento scientifico riconosciuto nel circuito metrologico internazionale. La ricerca nel settore dell’ergonomia della visione risponde all’esigenza di fornire ad ogni applicazione ed ad ogni individio una diversa soluzione fotometrica e illuminotecnica. Moduli

Modulo: Sviluppo sorgenti laser e progettazione e caratterizzazione di componentistica ottica

Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INOA Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Studio e caratterizzazione di sistemi e componenti per illumino tecnica e per la percezione visiva



Sviluppo di tecnologie, materiali e dispositivi per applicazioni alla ottica quantistica ed alla spettroscopia Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INOA Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: PAOLO DE NATALE Temi

Tematiche di ricerca • Ottica quantistica. • Sorgenti di radiazione coerente. • Spettroscopia ad alta sensibilità e risoluzione con sorgenti coerenti. • Metrologia di frequenza. • Sensori ottici per analisi chimiche ambientali. • Sensori ottici per applicazioni geofisiche ed aerospaziali. • Sensori ottici per applicazioni oftalmiche. • Progettazione ottica. • Collettori di radiazione solare.

Stato dell’arte L’attuale livello delle competenze nel campo dei dispositivi ottici può consentire non solo lo sviluppo di nuovi sistemi per la diagnostica applicata a specifici settori, ma anche la realizzazione di sistemi completamente innovativi nel settore delle comunicazioni attraverso l’utilizzo di tecnologie quantistiche. D’altra parte, i sistemi di trasmissione dell’informazione, che attualmente fanno uso di sistemi laser e componenti ottici per la manipolazione dei segnali “convenzionali”, saranno probabilmente rivoluzionati dalla componentistica fotonica di nuova generazione, con cristalli fotonici non-lineari micro-strutturati e dalle tecniche di generazione parametrica di campi non classici. Anche la possibilità di misurare la frequenza negli intervalli spettrali del visibile/vicino IR è stata fino ad oggi fortemente limitata, ma i recentissimi “optical frequency combs” (OFC) ad impulsi laser ultracorti aprono scenari nuovi. La progettazione di dispositivi ottici per usi scientifici e tecnologici (es. telescopi, concentratori solari) si avvale di strumenti software avanzati, e sulla disponibilità di specchi innovativi di costo contenuto.


Azioni

Attività da svolgere • Misura assoluta di frequenze di righe molecolari di interesse atmosferico (radicali del metano, HD, D2) per la

determinazione accurata di parametri molecolari. • Rivelazione ottica della 14CO2 in abbondanza naturale. • Realizzazione di una DFG intra-cavity ad alta potenza con cristallo PP-MgO:LiNbO3. • Stabilizzazione in frequenza di un QCL tramite aggancio in fase a una sorgente DFG riferita a un OFC. • Estensione della spettroscopia XUV con armoniche per test dei limiti di risoluzione. • Schema per test diretto di non-commutatività di operatori quantistici. • Realizzazione di uno schema di generazione di stati non-classici utilizzando una sorgente laser al femtosecondo. • Ottimizzazione del sistema di analisi tomografica mediante modellazione spettrale e spaziale adattiva. • Supporto all’esperimento GEOFLOW e agli aspetti operativi di FSL in collaborazione con Thales Alenia Space

Italia presso il MARS-Telespazio di Napoli. • Sviluppo delle camere del piano focale del WSO. • Messa a punto della camera pulita per la caratterizzazione di grandi specchi per uso spaziale. • Misure di parametri molecolari del CO. • Realizzazione di analizzatori di gas basati su spettrofotometri a stato solido. • Aggiornamento strumentazione per misure spettroscopiche di gas in traccia da aereo stratosferico in previsione di

una nuova campagna di misura artica (prevista a inizio 2010) • Sostituzione, all’interno di strumentazione per applicazioni atmosferiche e ambientali, di sorgenti laser che

lavorano con azoto liquido (laser a sali di piombo) con sorgenti laser a temperatura ambiente (laser QCL), per rendere la strumentazione più compatta e portabile.

• Realizzazione di un prototipo di strumento basato su tecniche di OCT in grado di misurare le posizioni relative delle varie interfacce all’interno dell’occhio umano e le caratteristiche della camera anteriore

• Realizzazione di un prototipo di concentratore solare. • Realizzazione di uno spettrometro portatile per misura di CO2 a 2 micron. • Organizzazione di grandi Conferenze nazionali e internazionali, tra cui OMS, HRMS, FLAIR, Fotonica 2009.

Punti critici e azioni da svolgere • Messa a punto di tecniche di rivelazione ad alta sensibilità e risoluzione. • Scarse risorse umane: acquisizione di personale di ricerca a tempo determinato e indeterminato. • Superamento dei limiti di riproducibilità a breve e lungo termine del segnale di “cavity ring-down”. • Incremento della potenza disponibile a 4 micron per migliorare il rapporto S/N del “cavity ring-down”. • Acquisto di sorgenti QCL di nuova generazione (CW a T ambiente) nel medio IR e nel THz. • Eliminazione di alcune sorgenti di rumore ed instabilità negli analizzatori di gas. • Accertazione della disponibilità di risorse umane (stato dei processi di stabilizzazione dei precari). • Previsione di nuovi corsi di aggiornamento volti all’acquisizone del “know how” richiesto dal crescente sviluppo

di software per la progettazione ottica. • Ricerca di nuovi spazi per venire incontro al crescente numero di progetti e di persone afferenti ai vari gruppi.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Buona conoscenza di tecniche di collaudo di target e superfici ottiche. • Conoscenza di sistemi laser e sorgenti coerenti. • Conoscenze di spettroscopia atomica e molecolare. • Competenze nel settore della metrologia di frequenza. • Competenze nel settore dell’ottica quantistica. • Competenze nel settore della progettazione e simulazione di sistemi ottici complessi, per attività terrestri e

spaziali. • Software di progettazione ottica, commerciale e sviluppato all’interno del gruppo.


Strumentazione - Sistemi laser a Ti:zaffiro impulsati al ps/fs, con amplificazione CPA. - Apparato per generazione e rivelazione omodina di stati quantistici. - Apparato per generazione, rivelazione e applicazioni spettroscopiche di armoniche laser. - OFC nel visibile/vicino IR, autoriferito allo standard primario via Rb/GPS. - Sorgente di radiazione coerente sintonizzabile intorno a 4 micron, generata per differenza di frequenza (DFG) in un cristallo PPLN. - Sorgenti laser a cascata quantica (QCL) CW nel medio e lontano IR. - Cavità risonante ad alta finezza (>20000) nel medio IR. - Analizzatore di CO denominato COLD. - Analizzatore di CH4 denominato ALTO. - Software di progettazione ottica. - 2 OFC nel vicino IR, autoriferiti allo standard primario via Rb/GPS. - Sorgente di radiazione coerente sintonizzabile intorno a 3 micron, di elevata potenza (> 5 mW), basata su DFG tra laser amplificati in fibre drogate con Er ed Yb. - Sorgenti laser a diodo in cavità esterna a 1083 nm per spettroscopia di alta precisione su He metastabile. - Fascio atomico di 3He e 4He metastabili ad alta efficienza.

Tecniche di indagine - Tecniche spettroscopiche (fluorescenza/assorbimento saturato) ed elettroniche (agganci in fase/frequenza) per la metrologia di frequenza nel vicino e medio IR. - Tecniche spettroscopiche per la rivelazione di molecole ad altissima sensibilità ed accuratezza. - Tecniche ottiche di trasmissione dell’informazione mediante scambio di “chiavi” quantistiche. - Tecniche di misura basate su sistemi integrati di sensori ottici per l’acquisizione di parametri fisico-chimici. - Tecnica “optical coherence tomography” (OCT).

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Tale commessa si avvale di una fitta rete di collaborazioni con Enti, Università ed aziende per lo svolgimento delle attività di ricerca e sviluppo tecnologico, come dettagliato alla voce “Stato Avanzamento” -> “Attività” -> “Collaborazioni”.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Partecipazione al Bando ASI DC-PRZ-2007-1 - Proposta di sviluppo tecnologico con il progetto “Sviluppo di tecnologie laser nella regione dell’IR e del THz”. In fase di stesura progetto EU - FP7 STREP (ambito della call ICT-2007.3.5 “Photonic components and subsytems”). In fase di stesura progetto PRIN 2008 (con Politecnico di Milano e Seconda Università di Napoli). In fase di stesura progetti finanziati dalla Regione Toscana nel settore ambientale e aerospaziale. Progetti PON e POR 2007-2013 presso la sede di Pozzuoli NA. Progetto RSTL CNR approvato. In fase di valutazione progetto Ente Cassa di Risparmio Firenze (2008). In fase di valutazione progetto EU - FP7 STREP “E2M2: Entanglement Enabled measurements and metrology” (2008). In fase di stesura progetto PRIN2008. In fase di stesura progetto EU - FP7 STREP (2009). Partecipazione alla proposta “Reconcile” (Reconciliation of essential process parameters for an enhanced predictability of arctic stratospheric ozone loss and its climate interactions) già approvata all’interno del FP7 nell’ambito della call Environment Programme (Call FP7-ENV-2008-1). Possibile proseguimento della collaborazione con CSO- Costruzione Strumenti Oftalmici Srl per realizzazione di sensori ottici per applicazioni oftalmiche. Partecipazione a bandi per progetti di ricerca e sviluppo finanziati dalla Regione Toscana per realizzare strumentazione analitica per diagnostica ambientale e industriale. Riproposizione del progetto COST Envirolaser. Partecipazione a bandi ASI per la realizzazione di strumentazione analitica con applicazioni spaziali. Progetto SFERA (Sensore per la rivelazione della Fluorescenza della vEgetazione nelle Righe di Fraunhofer da piattaforma Aerea) su bando ASI per Progetti di Sviluppo Tecnologico. Progetto LASST (Large Active Segmented Space Telescope) su bando ASI per Progetti di Sviluppo Tecnologico. Progetto MECREG (Multi-purpose Experiment Container a basso residual-G per esperimenti di Scienza dei Fluidi)su bando ASI per Missioni di Opportunità.


Finalità

Obiettivi • Sviluppo di sorgenti DFG altamente coerenti, accordabili nell’IR, riferiti a sistemi OFC per spettroscopia di alta

precisione e sensibilità. • Realizzazione di sorgenti coerenti IR portatili, per misure spettroscopiche “outdoor”, in ambienti difficili e da

aereo. • Sviluppo di sensori in fibra a reticolo di Bragg per misure di deformazioni statiche e dinamiche e temperatura ad

altissima sensibilità. • Realizzazione di sistemi di monitoraggio ambientale multiparametrici, configurabili in reti di sensori. • Sviluppo di sistemi di “imaging” ad altissima sensibilità nel medio IR. • Sviluppi di sistemi per spettroscopia attiva (LIDAR) e passiva da piattaforma spaziale. • Sviluppo di sistemi di telescopi spaziali innovativi per applicazioni astrofisiche, sia via software che partecipando

ai collaudi ottici di prototipi. • Test nuove sorgenti e tecniche per generazione e controllo di campi non classici. • Realizzazione di sorgenti di luce quantistica compatte. • Spettroscopia ad alta risoluzione con armoniche elevate. • Realizzazione di strumentazione per applicazioni oftalmiche. • Realizzazione di prototipi di concentratori solari.

Risultati attesi nell’anno • Caratterizzazione spettrale (larghezza di riga, rumore di fase/frequenza) della radiazione DFG a 4 micron con i

laser di pompa agganciati in fase tramite l’OFC. • Metrologia assoluta dello spettro della molecola D2 intorno a 3 micron. • Spettroscopia sub-Doppler in polarizzazione con QCL riferito all’OFC. • Aggancio in frequenza e in fase di QCL a sorgenti stabilizzate e riferite all’OFC. • Aumento dell’efficienza di generazione di armoniche elevate attraverso nuove configurazioni di interazione

laser/gas e shaping spazio/temporale degli impulsi di pompa. • Analisi spettroscopica dettagliata di stati legati a vita media lunga nel XUV. • Estensione dell’analisi tomografica quantistica verso campi multimodo e misura dell’entanglement. • Generazione e caratterizzazione di nuovi stati non-classici e test diretto di non-commutatività di operatori

quantistici. • Sviluppo di sensori di flussi gassosi all’interfaccia aria-acqua. • Sviluppo di analizzatori di gas basati su spettrofotometri a stato solido. • Strumentazione per misure di gas in traccia da aereo pronta per la campagna di misura artica prevista a inizio

2010. • Realizzazione di un prototipo di strumento basato su tecniche OCT per applicazioni oftalmiche. • Sviluppo di dimostratori di concentratori solari.

Potenziale impiego - per processi produttivi I sistemi di diagnostica ottica in corso di sviluppo si qualificano come sistemi ad alte prestazioni per il monitoraggio ambientale, sia da terra che dallo spazio, il controllo di processi industriali e di strutture civili. I sistemi per generazione parametrica di fotoni hanno possibili applicazioni nel settore delle comunicazioni intrinsecamente sicure. I concentratori solari sono adatti allo sfruttamento energetico di fonti rinnovabili ed a tecniche metallurgiche innovative. Le partecipazioni ad alcuni progetti scientifici internazionali daranno un forte contributo alla ridefinizione di alcuni temi molto attuali soprattutto nel campo astrofisico-cosmologico. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I sensori per la diagnostica ambientale sono integrabili in sistemi di rete multiparametrici, utilizzabili per attività di Protezione Civile per la mitigazione del rischio sismico, vulcanico ed antropico e per la gestione di catastrofi naturali. Le misure con i sensori aerospaziali permetteranno una migliore valutazione delle dinamiche climatiche globali, considerando anche fenomeni a mesoscala attualmente trascurati. I progetti afferenti alla Commessa prevedono una parte di attività di alta formazione e di incubazione di impresa nel settore dell’ottica. Molte delle applicazioni descritte richiedono una corretta progettazione ottica, al fine di ottimizzare i vari strumenti.


Moduli

Modulo: Sviluppo di tecnologie, materiali e dispositivi per applicazioni alla ottica quantistica ed alla spettroscopia



Tecniche spettroscopiche integrate per la diagnostica non invasiva, la conservazione e la fruizione del patrimonio culturale Dati generali

Progetto: Diagnosi, intervento e conservazione del patrimonio culturale Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Patrimonio Culturale Responsabile indicato: MARCELLO PICOLLO Temi

Tematiche di ricerca 1) Spettroscopia a fibre ottiche nelle regioni UV-Vis-IR per la caratterizzazione di materiali inorganici e organici. Dai dati spettrali acquisiti nel visibile è possibile calcolare il colore: il suo monitoraggio nel tempo rappresenta un elemento fondamentale ai fini conservativi. 2) Spettroscopia d'immagine 2D ad alta risoluzione con scanner iperspettrale trasportabile ad alta risoluzione spaziale e spettrale. Questa tecnica di imaging risulta complementare all'uso della spettroscopia a fibre ottiche in particolare per evidenziare la distribuzione di determinati composti. 3) Spettroscopia dielettrica. La strumentazione a micro-onde portatile, brevettata da IFAC, permette un facile rilevamento dell'umidità e della risalita di sali in strutture murarie. 4) Estensione dell'intervallo spettrale utilizzato per la caratterizzazione dei materiali alla regione dei THz. 5) Realizzazione di archivi spettrali nelle regioni UV-Vis-IR-THz di diversi composti e materiali tradizionali e contemporanei impiegati in campo artistico e conservativo. 6) Stabilire i fattori di rischio e le procedure raccomandate per una corretta conservazione dei manufatti d'arte contemporanea in plastica.

Stato dell'arte Il gruppo "Beni Culturali" di IFAC-CNR è stato, a nostra conoscenza, il primo a livello internazionale a utilizzare fibre ottiche per indagini non invasive in situ, risalendo le prime indagini al 1983-84, quando furono fatti i primi studi in previsione del restauro della Cappella Brancacci in Firenze. Successivamente la tecnica si è sviluppata e ha trovato ampia diffusione in Italia e all'estero. Inoltre posizioni di preminenza a livello internazionale sono occupate dalla commessa per quanto riguarda la messa a punto e applicazione sia di scanner iperspettrali per lo studio delle tecniche pittoriche e dei materiali presenti su superfici policrome, fornendo anche la possibilità di mapparne la loro distribuzione sull'opera, sia di sistemi che utilizzano le microonde per la salvaguardia del Patrimonio Culturale. Infine, per quanto riguarda il monitoraggio della luce e l'interazione luce-materia, argomenti questi di notevole interesse a livello internazionale, le competenze acquisite nella commessa hanno portato all'inclusione in una Commissione Europea per la normativa relativa all'illuminazione di ambienti museali di un suo componente, Mauro Bacci. Azioni

Attività da svolgere Integrazione dati spettroscopici FORS mediante spettroscopia in trasmittanza e in riflettanza nell'intervallo dei THz in collaborazione con il NICT di Tokyo e l'Università di Joensuu (Finlandia). In particolare, si cercherà di definire meglio le caratteristiche spettroscopiche dei materiali indagati nella regione dei THz. Inoltre, sarà dato ampio spazio all'uso di tecniche di imaging nella regione dei THz per studio composizionali e stratigrafici di strati/superfici policrome. Nell'ambito del progetto europeo Popart, attivato a fine 2008, saranno investigati materiali polimerici e pigmenti di arte contemporanea. Per quanto riguarda lo scanner iperspettrale, nel 2009 si prevede di verificare l'adattabilità di telecamere InGaAs (fornite in visione dai produttori) all'attuale sistema di movimentazione e di acquisizione, allo scopo di estendere la gamma di sensibilità nell'infrarosso oltre 1 mm di lunghezza d'onda. In relazione alla interazione radiazione-materia, è stato effettuato uno studio teorico relativo all'uso di onde localizzate per la rivelazione di oggetti sepolti di varia natura (pietra, legno, porcellana ecc.). Il modello teorico ha evidenziato come l'uso di fasci di Bessel (onde X-localizzate) risulti vantaggioso, rispetto alle onde non localizzate, poiché il loro utilizzo produce un guadagno nell'intensità del campo e.m. riflesso. Quindi, l'uso dei fasci di Bessel nei sistemi GPR (ground penetrating radar) potrebbe essere di aiuto nella rivelazione di oggetti (ma anche di difetti nei materiali), laddove esistono condizioni di basso guadagno. Probabilmente un sistema GPR basato sui fasci di Bessel potrebbe essere anche in grado di fornire maggiori dettagli (rispetto ai sistemi GPR tradizionali) sulla forma e dimensione degli oggetti ma, purtroppo, il modello teorico non è in grado di investigare questo aspetto. Anche per


questo motivo sarebbe pertanto opportuna una sperimentazione, sperimentazione che potrebbe essere effettuata solo a fronte di un adeguato supporto finanziario.

Punti critici e azioni da svolgere Si spera che la politica dell'Ente per il 2009 permetta l'acquisizione di personale giovane che vada a rimpiazzare le varie perdite dovute a pensionamenti. Le attività in cui la commessa è coinvolta sono molteplici e numerose le richieste di collaborazione che ci provengono da più parti, anche dall'estero e, pertanto, il problema del personale è un elemento di fondamentale importanza. Dato che nel corso del 2009 saranno attivi un progetto europeo e diversi incarichi avuti da Soprintendenze e privati cercheremo comunque di acquisire forza lavoro a tempo determinato a valere sul finanziamento di tali progetti e finanziamenti conto terzi.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Fisica dello stato solido, Spettroscopia, Colorimetria, Chimica-fisica, Ottica, Elaborazione immagini, Elettronica, Fisica delle microonde, Mineralogia, Scienza dei Materiali costituenti Beni Culturali.

Strumentazione Spettrofotometri a fibra ottica e da banco UV-Vis-IR; Scanner iperspettrale VIS-SWIR; Sonde per misure dielettrometriche; Analizzatori di spettro; Telecamere VIS/NIR.

Tecniche di indagine Tecniche spettroscopiche non invasive (in gran parte trasportabili), che permettono di ottenere informazioni sul colore e sui materiali costituenti l'oggetto in esame senza la necessità di prelevare campioni. La possibilità di effettuare un elevato numero di misure permette l'applicazione di tecniche statistiche di analisi multivariata al fine di estrarre il massimo di informazione utile dai dati sperimentali. L'uso di tecniche spettroscopiche di imaging consente di ottenere su superfici policrome utili informazioni finalizzate allo studio della tecnica pittorica e alla mappatura dei materiali costituenti il film pittorico. Inoltre, le indagini nella regione delle microonde associate alla messa a punto di appositi modelli di studio permettono una più puntuale caratterizzazione dei materiali.

Tecnologie Le indagini vengono spesso effettuate sullo stesso oggetto a distanza di tempo per evidenziare possibili modifiche o alterazioni indotte da invecchiamenti naturali o artificiali oppure da interventi di restauro o conservativi. Risulta pertanto importante una metodologia di riposizionamento che permetta di effettuare la misura a distanza di tempo sempre sulla stessa area.

Collaborazioni (partner e committenti) Soprintendenza speciale per il Patrimonio storico, artistico ed etnoantropologico e per il Polo museale della città di Firenze. Soprintendenza Beni Architettonici di Arezzo. Soprintendenza per i Beni Storico Artistici della Provincia Autonoma di Trento. Opificio delle Pietre Dure, FI. Istituto Superiore per la Conservazione e il Restauro, RM. Galleria d'Arte Moderna, MI. Archivi di Stato di FI, PO, VE e FR. ICCU (Istituto Centrale per il Catalogo Unico) di Roma. Opera di Santa Maria del Fiore e Opera di Santa Croce, FI. Comune FI. Vari dipartimenti afferenti alle Università degli Studi di FI, FE, PI, CT, MI, RM e Piemonte Orientale. INFN sezione FI. ICVBC-CNR. ISC-CNR. IVALSA-CNR. ICCOM-CNR. Hellenic Institute for Byzantine and Post-Byzantine Studies, VE. Fondazione Rinascimento Digitale, FI. Centro Scavi TO. SIAV S.p.A, PD. Studio Restauro Vervat, FI. Studio Restauro Scarpelli, FI. Studio Fenice, BO. CESMAR7, VR. Infrared and Raman Users Group (IRUG), Filadelfia (USA). Centre de recherche sur la conservation des collections (CRCC-CNRS), Laboratoire du Centre de recherche et de restauration des musées de France (LC2RMF-CNRS), Atelier Régional de Conservation Nucléart - ARC Nucléart (ARC), Francia. National Museum of Denmark (Natmus), Danimarca. Instituut Collectie Nederland (ICN), SolMateS BV, Olanda. Academy of Sciences (PISAS) Polymer Institute, Slovacchia. Morana RTD d.o.o., Slovenia. Centre for Sustainable Heritage University College of London, Victoria & Albert Museum, Regno Unito. Università delle Isole Baleari, Spagna. University of Joensuu, Finlandia. Russian Academy of Sciences Institute of Radio Engineering and Electronics Mosca, Russia. Pratt Institute, New York. Getty Conservation Institute, Los Angeles. The Art Institute, Chicago. National Gallery of Art, Washington DC. National Research Institute for Cultural Properties, Tokyo. National Institute of Information and Communications Technology, Tokyo. University of Kanazawa (Giappone).

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate A fine 2008 ha avuto inizio il progetto europeo Popart (Preservation of Plastics Artefacts, Popart) nell'ambito del 7° Programma Quadro. Sono in corso contatti con Soprintendenze, Enti nazionali e internazionali, oltre a studi di restauro privati per presentare proposte di finanziamento per progetti di ricerca ad ampio respiro e/o conti terzi relativi a casi studio (studi diagnostici e analitici).

Finalità

Obiettivi L'obiettivo principale della ricerca consiste nella messa a punto di metodologie per indagini non invasive spettroscopiche su manufatti artistici al fine ottenere una migliore comprensione dei materiali presenti e dello stato di conservazione del bene in esame. Uno sforzo particolare è rivolto alla applicazione a casi reali di metodologie tra loro


complementari che impiegano strumentazioni trasportabili per misure in situ. Infatti, molto spesso, o per ragioni di sicurezza o intrinseche alla natura dell'opera (dimensioni, peso ecc.), è necessario effettuare le indagini sul luogo dove si trova l'opera.

Risultati attesi nell'anno Aggiornamento dei casi più importanti studiati mediante lo scanner iperspettrale già presenti in rete. I dati, ridotti in forma tale da renderli inutilizzabili per usi diversi da quello puramente informativo, saranno resi leggibili attraverso un apposito programma interattivo per l'interrogazione via Web. Messa in rete di un nuovo archivio spettrale in riflettanza nell'intervallo 350-1700 nm di campioni storici di carte colorate industriali.

Potenziale impiego - per processi produttivi Le metodologie messe a punto hanno un campo di applicazione che va ben al di là del settore dei Beni Culturali, in quanto si prestano alla caratterizzazione non invasiva di materiali diversi e quindi possono essere applicate in altri settori quali biomedico, ambientale, processi produttivi. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Da tempo le nostre strumentazioni e metodologie sono applicate e messe a disposizione di restauratori e conservatori per la valutazione dello stato di conservazione delle opere nonché per una diagnostica utile al restauro. Inoltre, altri colleghi CNR e Universitari che lavorano in ambito di Scienza della Terra (studio mineralogico del suolo con Remote Sensing) e di dipartimenti di Fisica impiegano le nostre strumentazioni e conoscenze per la caratterizzazione spettrale di tali composti/sostanze. Moduli

Modulo: Tecniche spettroscopiche integrate per la diagnostica non invasiva, la conservazione e la fruizione del patrimonio culturale



Sviluppo di nuovi materiali e tecniche per il restauro e la conservazione dei Beni Culturali Dati generali

Progetto: Diagnosi, intervento e conservazione del patrimonio culturale Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per la conservazione e valorizzazione dei beni culturali Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Patrimonio Culturale Responsabile indicato: FABIO FRATINI Temi

Tematiche di ricerca L'attività è centrata su problematiche legate a interventi conservativi e di restauro dei B.C. (manufatti lapidei, pittorici, lignei e metallici). Sono indagati interventi conservativi quali pulitura, consolidamento e protezione, sviluppando nuovi materiali, nuove metodologie e tecniche di trattamento in grado di soddisfare le richieste di interventi efficaci, durevoli e compatibili con le esigenze della conservazione del P.C. Sono affrontati: a) sviluppo di metodologie chimiche e fisiche (laser) per la pulitura; b) sintesi di nuovi composti per protezione/consolidamento di differenti materiali e sviluppo di nuove metodologie applicative; c) messa a punto di sistemi di trattamento (consolidamento di manufatti lignei di differenti tipologie, consolidamento di materiali lapidei e pittorici, saldatura e passivazione di superfici metalliche mediante laser, ecc.); d) valutazione delle prestazioni di nuovi prodotti su diversi materiali e studio di manufatti (caratterizzazione) mediante applicazione e sviluppo di metodologie innovative (spettroscopiche, NMR, LIPS ed optoelettroniche) integrate da quelle tradizionali; e) studio dell'interazione dei trattamenti con inquinanti atmosferici.

Stato dell'arte Da anni scienziati e restauratori si impegnano a combattere i processi naturali o antropici di deterioramento dei manufatti. La conservazione dei B.C. è però legata a interventi che vengono o non vengono effettuati. L'impiego di materiali, strumentazioni, metodologie e personale non qualificato hanno portato spesso al danneggiamento delle opere stesse. Gli enormi progressi compiuti negli ultimi 50 anni nel settore chimico, elettronico e strumentale, hanno aperto nuovi orizzonti per realizzare sia nuovi prodotti e tecniche d'intervento, sia nuove tecnologie non invasive per valutare i risultati degli interventi effettuati. Tecniche laser per pulire manufatti lapidei, metallici e pittorici (ad es. Nd:YAG, Er:YAG) sono state sviluppate già dalla fine del '900 e alcune strumentazioni specifiche per i B.C. sono reperibili in commercio. L'interesse per l'impiego e lo sviluppo di nuovi prodotti per la protezione e il consolidamento non strutturale di differenti manufatti è molto diminuito negli ultimi 10-15 anni a favore del miglioramento della metodologia applicativa di prodotti tradizionali e commerciali. Da ricordare il recente interesse verso prodotti micro- e nano-strutturati. Azioni

Attività da svolgere Dal 2009, a causa di una riorganizzazione delle commesse all'interno dell'IFAC, non parteciperà più alla commessa il Modulo IFAC, responsabile S. Siano, in cui venivano trattate le tecniche laser, optoelettroniche e spettroscopiche per lo studio e la conservazione dei beni culturali. Nei prossimi tre anni l'attività sarà pertanto indirizzata all'esecuzione dei programmi di ricerca previsti in vari progetti in cui sono coinvolti ICVBC e IVALSA ed in particolare i progetti europei (CHARISMA, EPISCON, COUPOLES ET HABITATS), regionali (STArT) o le collaborazioni con Enti Pubblici e privati (varie soprintendenze, CTS, KEPHA). In particolare si prevede: a) sviluppo e applicazione di tecnica laser Er:YAG alla pulitura di superfici policrome (dipinti e dipinti murali) e lapidee; b) individuazione di nuovi prodotti per la stabilizzazione dimensionale di legni archeologici imbibiti, studio degli effetti legati al trattamento e nuove tecnologie di caratterizzazione del degrado di manufatti lignei antichi e archeologici; c) studio di nuove metodologie di trattamento per il consolidamento di materiali lapidei e litoidi, e valutazione della durabilità dei trattamenti ad invecchiamento naturale o accelerato; d) progettazione, sintesi e sperimentazione di nuovi prodotti/formulati (poliolefine funzionalizzate, nanocompositi polimerici) con prestazioni migliori; e) verifica dell'efficacia di alcuni inibitori di biofilm su materiali lapidei; f) sviluppo di nuove strumentazioni analitiche.

Punti critici e azioni da svolgere I punti critici sono principalmente di tipo gestionale. Dal punto di vista economico si può constatare che, a parte alcune eccezioni, il reperimento delle risorse è spesso legato all'attivazione di convenzioni o contratti con Enti Pubblici o privati che possono mettere a disposizione modesti contributi, spesso non sufficienti per usufruire di risorse umane a tempo determinato. Nel caso di Enti pubblici, inoltre, le collaborazioni sono legate ad interventi operativi su manufatti di interesse storico-artistico e quindi non sempre prevedibili e programmabili. Dal punto di vista scientifico l'ottenimento degli obiettivi previsti è


legato alla tipologia dei materiali investigati o alla complessità dei prodotti che si intendono ottenere e che possono richiedere tempi lunghi di esecuzione e risorse umane in numero adeguato. L'assegnazione di borse di studio, assegni di ricerca e altri contratti a tempo determinato mitigano, in parte, le problematiche, ma è l'assunzione di nuovo personale a tempo indeterminato che può garantire continuità e sostegno alla grande mole di attività che viene e deve essere svolta all'interno della commessa.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Per la realizzazione del progetto sono necessarie competenze in chimica, fisica, geologia, biologia, scienze forestali, ingegneria chimica. All'interno degli istituti partecipanti al progetto sono utilizzate le competenze di: • chimici con esperienza in sintesi organica macromolecolare ed inorganica, caratterizzazione e valutazione delle

prestazioni dei prodotti sintetizzati, competenze nell'applicazione delle strumentazioni NMR alla conservazione dei B.C. per la valutazione della distribuzione ed efficacia dei trattamenti conservativi;

• fisici con esperienza in tecnologie laser e ottiche, competenze nell'applicazione della diffrattometria neutronica per il restauro e la conoscenza di manufatti storico-artistici;

• geologi con esperienza in petrografia applicata ai B.C. per la caratterizzazione delle fasi minerali naturali o di neo formazione;

• biologi con esperienza in microbiologia applicata ai B.C.; • forestali con competenze in tecnologia e anatomia del legno, dendrocronologia; • ingegneri chimici per lo studio della compatibilità dei materiali.

Strumentazione Calorimetro DSC, Gel Permeation Chromatography, Cromatografo ionico, Celle climatiche, trasduttore di spostamenti con acquisizione in continuo, colorimetro, spettrometro UV-Vis, spettrometro NIR, microscopio per analisi d'immagine, Drilling, Picnometro ad elio, Porosimetro a mercurio, Incubatore refrigerato, sistema di invecchiamento UV e gas acidi, Drilling, spettrofotometro FT-IR, Termoanalisi abbinata ad FT-IR (TGA-FT-IR), Gas-Massa, diffrattometro a raggi X, Microscopio elettronico con spettrometro a raggi X, camere per allevamento funghi e insetti xilofagi, sistemi laser a varie lunghezze d'onda e durate d'impulso (circa 10), profilometro a contatto, strumento a ultrasuoni per la misura di spessori, sistema LIPS, microscopi in luce polarizzata e per osservazioni in fluorescenza, NMR a bassa e alta risoluzione, diffrattometri neutronici della sorgente a spallazione ISIS-RAL, camera radiografica, ESEM.

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine utilizzate servono alla caratterizzazione dei nuovi prodotti sintetizzati, alla conoscenza dei materiali, alla valutazione dei trattamenti conservativi e dello stato di degrado dei manufatti, alla determinazione della durabilità dei trattamenti, alla pulitura e restauro di manufatti. a) Per la caratterizzazione dei nuovi prodotti (organici e inorganici) e per la conoscenza dei materiali vengono utilizzati: FT-IR, diffrattometria a raggi X, SEM, GPC, calorimetria differenziale, TGA-FTIR, LIPS, NMR a bassa risoluzione e diffrattometria neutronica (queste ultime due non disponibili all'interno della commessa); b) valutazione dei trattamenti consolidanti/protettivi su materiale lapideo e ligneo e dello stato di degrado: colorimetria, prove di idrorepellenza, permeabilità al vapore, coesione (resistenza alla perforazione), misure di compatibilità dei materiali, porosimetria, NMR a bassa risoluzione; c) durabilità dei trattamenti: celle di invecchiamento accelerato, che consentono variazioni termo-igrometriche, introduzione di gas inquinanti, irraggiamento UV, e molte delle tecniche usate ai punti precedenti; d) pulitura e restauro di manufatti: tecniche laser.

Tecnologie Sono state messe a punto metodologie per la valutazione di trattamenti conservativi su reperti lignei (in particolare legno archeologico) e su manufatti lapidei. In entrambi i casi la metodologia si basa sulla misura e valutazione di alcuni parametri caratteristici.

Collaborazioni (partner e committenti) Le collaborazioni instaurate fra i vari Istituti partecipanti alla commessa e soggetti esterni sono numerose. Con molte università italiane e straniere (Firenze, Siena, Bologna, Pisa, Palermo, Antwerp, Rabat), con l'Opificio delle Pietre Dure di Firenze, Centro di Conservazione e Restauro La Venaria Reale, Chinese Academy of Science e con l'ICR sono in atto collaborazioni, generalmente, di partneraiato, mentre con varie Soprintendenze (della Toscana, Provincia Autonoma Trento ecc.) e Enti locali (es. Regione Toscana, Comune di Firenze), con l'Opera Primaziale Pisana, fondazioni di studio, industrie (El.En. spA, CTS) e EU le collaborazioni risultano quasi sempre committenze.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Sono in corso, da parte di tutti i ricercatori della commessa, una serie di contatti per valutare gli spazi per possibili iniziative in ambito europeo, primo fra tutti FP7, e in ambito nazionale e internazionale. Sono, inoltre, in corso iniziative per il reperimento di fondi sia da enti pubblici che privati. Si ricordano, in particolare, le collaborazioni appena stipulate o in corso di definizione con Opera Primaziale Pisana, varie soprintendenze (Trento, Venezia, Firenze), Comune di Firenze.


Finalità

Obiettivi • Ottenere nuovi prodotti per il trattamento di specifiche categorie di manufatti (lapidei, lignei, musivi, pittorici e

metallici) che garantiscano migliore efficacia e durabilità di quelli attualmente conosciuti; • Sviluppare nuove tecniche di trattamento per interventi di conservazione/restauro su vari manufatti; • Perfezionare le metodologie laser (sistemi laser dedicati) sia per la pulitura che il restauro di differenti tipi di

manufatti (lapidei, pittorici e metallici); • Individuare e sviluppare nuove metodologie, tra cui le tecniche di risonanza magnetica nucleare a bassa

risoluzione e tecniche optoelettroniche, per la caratterizzazione dei materiali costitutivi, per il controllo della pulitura, per la caratterizzazione e valutazione delle prestazioni dei prodotti protettivi/consolidanti e delle caratteristiche strutturali e di degrado di differenti mezzi porosi (materiali lapidei, pittorici e lignei);

• Studiare l'interazione di inquinanti gassosi con superfici lapideee trattate e non per la valutazione dell'efficacia di trattamenti protettivi.

• Sviluppare protocolli prenormativi di indagine per la caratterizzazione di manufatti lignei.

Risultati attesi nell'anno • Protocolli per la pulitura di superfici policrome in presenza di trattamenti organici naturali e di sintesi, utilizzati

come consolidanti o protettivi, mediante laser (Er:YAG) • nuove metodologie di consolidamento di materiali lapidei e litoidi con prodotti inorganici e verifica della

loro durabilità; • nuovi prodotti o formulati per trattamenti consolidanti e/o protettivi di differenti manufatti (lignei, sia

archeologici che antichi, pittorici e lapidei) con migliori prestazioni (stabilità foto-ossidativa, resistenza all'invecchiamento, capacità protettiva, adesiva e coesiva o resistenza meccanica);

• ottimizzazione della tecnica di consolidamento di manufatti lignei in vista del trattamento di casi reali (navi di Pisa);

• validazione di alcuni principi attivi inibitori di biofilm su materiali lapidei esposti all'acqua; • avanzamenti nell'applicazione di tecnologie innovative (preferibilmente non distruttive) per la valutazione

dell'efficacia di trattamenti conservativi e caratterizzazione del degrado dei materiali.

Potenziale impiego - per processi produttivi Le conoscenze su prodotti (polimeri organici, prodotti inorganici) e sulle metodologie applicative, nonché informazioni sulla sintesi di nuovi prodotti polimerici possono essere acquisite principalmente da industrie chimiche (formulatori o produttori), dagli operatori nel settore del restauro (principalmente restauratori) o essere oggetto di brevetti. Lo sviluppo di tecnologie (ad esempio sistemi laser per la pulitura di manufatti lapidei e pittorici) ha già favorito e ancora favorirà sia l'introduzione sul mercato di alcune apparecchiature dedicate alla conservazione e restauro dei beni culturali, sia un incremento nelle vendite di quelle già presenti. Lo sviluppo, inoltre, di metodologie di analisi e di restauro possono incrementare la diffusione di materiali e strumentazioni per interventi e indagini diagnostiche su vasta scala. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I materiali e le tecniche di conservazione e restauro messe a punto vogliono rispondere alle richieste degli enti preposti alla conservazione dei Beni Culturali (MBAC, etc.), dei restauratori e di alcune ditte operanti nel settore, sempre più attenti alla tutela del Patrimonio Culturale. In particolare si offrono miglioramenti sulla conservazione, conoscenza e valorizzazione dei Beni Culturali. Moduli

Modulo: Sviluppo di nuovi materiali e tecniche per il restauro e la conservazione dei Beni Culturali

Istituto esecutore: Istituto per la conservazione e valorizzazione dei beni culturali Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto







Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Elettrocatalizzatori per celle a combustibile ed elettrolitiche e per la trasformazione selettiva di risorse rinnovabili Dati generali

Progetto: Prodotti e processi innovativi per la chimica sostenibile Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Progettazione Molecolare Responsabile indicato: FRANCESCO VIZZA Temi

Tematiche di ricerca Sintesi di nuovi elettrocatalizzatori anodici e catodici a base di metalli della prima serie di transizione o a bassissimo contenuto di metalli nobili, per fuel cells di tipo PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) e DFC (direct fuel cell) con dimensioni, distribuzione e morfologia controllate; sintesi di membrane polimeriche a scambio anionico; sintesi di catalizzatori nanostrutturati privi o a basso contenuto di metalli nobili per la produzione di idrogeno da acqua o da soluzioni acquose di ammoniaca in apparati elettrolitici dotati di membrane polimeriche solide a scambio anionico; valutazione dell'attività elettrochimica dei singoli elettrodi, delle MEA e delle celle monoplanari mediante voltammetria ciclica, curve di potenza e di polarizzazione; sviluppo componentistica di cella. Caratterizzazione dei materiali: microscopia elettronica, tecniche XPS, EXAFS, XANES, SAXS, SANS, AFM, XRPD, porosimetria, AA, UV-vis; analisi Rietveld; studi di assorbimento di gas (IR con molecole sonda, TPRD,TPD, TPOD); sviluppo di apparati per analisi spettoscopiche in situ sugli elettrodi anche in condizioni di lavoro; Elettrossidazione selettive di combustibili rinnovabili.

Stato dell'arte L'impiego di celle a combustibile ad idrogeno o ad alcoli rappresenta una grande opportunità per la produzione di energia pulita. Attualmente il limite più importante per la diffusione su larga scala delle celle a combustibile a bassa temperatura è costituito dal fatto che il platino, elemento essenziale nei catalizzatori noti, è scarso in natura e pertanto troppo costoso, ed è anche non particolarmentre efficace con gli omologhi superiori del metanolo (es. etanolo, glicole e glicerolo). Inoltre, anche le celle elettrolitiche per la produzione di idrogeno da acqua e come riportato recentemente anche da ammoniaca in acqua, sono tuttora a base di metalli nobili. Solo elettrocatalizzatori più attivi, ma privi o con un basso contenuto di metalli nobili, potrà permettere la diffusione delle FC e delle celle elettrolitiche per produrre idrogeno in modo conveniente e non inquinante. Per quanto riguarda i combustibili biosostenibili (es. glicerolo), oltre ad essere potenziali fonti di energia, possono essere selettivamente trasformati in composti di grande interesse industriale. Azioni

Attività da svolgere L'attività di ricerca si articolerà nelle seguenti linee generali: 1) Progettazione e sviluppo di nuovi catalizzatori nanostrutturati anodici per DAFCs, mediante la tecnica di deposizione spontanea di metalli nobili, particolarmente Pd, Pt, Au, Ru, Pt-Pd, Pd-Au, Pd-Ru su materiali del tipo skeletal catalysis/vulcan. La quantità e la natura dei metalli nobili, da soli o in forma di lega, dipenderà dai combustibili impiegati nelle celle e semicelle. 2) Caratterizzazione morfologico strutturale dei catalizzatori e dei materiali impiegati come supporti mediante microscopia elettronica (SEM, TEM) e XRPD. La caratterizzazione elettrochimica sarà eseguita mediante misure di voltammetria ciclica e misure cronopotenziometriche e di impedenza. 3) Realizzazione di celle monoplanari attive e passive di tipo DAFC contenenti i catalizzatori anodici, membrane a scambio anionico commerciali o di nuova sintesi e catodi non contenenti metalli nobili. Le performance di cella sia passive ed attive, alimentate con polialcoli, saranno studiate mediante misure galvanostatiche e galvanodinamiche. 4) Poiché la produzione di chemicals con concomitante produzione di energia è un obbiettivo prioritario di questa commessa, saranno realizzate delle MEA con elettrocatalizzatori anodici e catodici nano-strutturati, in congiunzione con membrane a scambio anionico, al fine di ottenere alte densità di potenza e prodotti chimici di grande interesse industriale a partire da risorse rinnovabili. La variazione di parametri operativi delle celle attive (flusso dei combustibili, temperatura e voltaggio applicato) permetteranno l'ottimizzazione dei processi elettrochimici richiesti ai catalizzatori anodici oggetti di studio 5) Sintesi di catalizzatori anodici e catodici per celle elettrolitiche, alcuni dei quali da ottenere per elettrodeposizione controllata di metalli nobili e non nobili, su superfici metalliche funzionanti da supporti non innocenti. Saranno


realizzate delle celle elettrolitiche operanti in ambiente basico per la produzione di idrogeno da risorse rinnovabili come etanolo e glicerina. 6) Sarà avviata una nuova linea di ricerca, che facendo tesoro dell'esperienza acquisita in questi anni sulle DAFC, cercherà di migliorare l'efficienza delle celle a combustibile alimentate con alcoli rinnovabili, sfruttando l'attività foto-elettrochimica di supporti come TiO2. 7)Caratterizzazione morfologico strutturale dei materiali mediante misure EXAFS, XANEX e HRTEM; caratterizzazione morfologico-strutturale della fase metallica di catalizzatori in forma di lega Fe, Co e Ni, e caratterizzazione delle proprietà acide dei supporti a base di allumina per la reazione di reforming di alcoli.

Punti critici e azioni da svolgere • Realizzazione di una cella per la caratterizzazione elettronico-morfologico-strutturale mediante spettroscopia

EXAFS per l'acquisizione in-situ di spettri in fluorescenza dei metalli nobili presenti in bassi loading negli elettrocatalizzatori anodici, monitorando parallelamente le prestazioni elettrochimiche.

• Considerata la fondamentale importanza della caratterizzazione morfologica dei materiali, è stato recentemente acquisito un microscopio elettronico TEM ad alta risoluzione nella sede di Milano, che richiederà il necessario tempo di installazione e messa a punto dello strumento, nonché di preparazione del personale dedicato.

• Essendo la linea di attività prevista abbastanza diversificata e multidisciplinare, è di fondamentale importanza istruire personale in studi di elettrochimica e di caratterizzazione morfologico-strutturale dei catalizzatori. Si ritiene quindi necessario, per poter favorire un salto di qualità della commessa, l'assunzione di almeno 3 giovani ricercatori di cui almeno uno a tempo indeterminato

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze sono così riassumibili: sintesi organiche, inorganiche e metallorganiche; tecniche di polimerizzazione; modellizzazione teorica di superfici, di nanoparticelle, di supporti porosi, di materiali conduttivi e di membrane; competenze nel campo dell'elettrochimica (voltammetria ciclica, curve di potenza e di polarizzazione, spettroscopia di impedenza); competenze nella spettroscopia NMR in soluzione e allo stato solido; competenze nel settore della componentistica (elettrodi, assemblati membrana-elettrodi, piatti bipolari) e di hardware di cella; caratterizzazione avanzata della morfologia, composizione e delle proprietà superficiali della fase metallica in catalizzatori solidi con un approccio multitecnica; studi in situ dei meccanismi di decomposizione dei polimeri e leganti e della formazione della fase metallica; studio delle proprietà complessanti dei polimeri e leganti nei confronti degli ioni metallici; sviluppo di apparati e tecniche per la caratterizzazione in situ ed operando di materiali catalitici.

Strumentazione Laboratori chimici ed attrezzature relative; autoclavi; reattori a flusso; forni statici e dinamici a flusso; microscopi elettronici in trasmissione e in scansione (TEM, SEM, ESEM); microscopio a forza atomica (AFM); strumentazioni per caratterizzazione spettroscopica e strutturale di solidi e superfici (XPS, EXAFS, WAXS, SAXS, BET); strumentazioni per caratterizzazione chimico-strutturale dei materiali catalitici con tecniche SANS, AFM, XRPD, porosimetria, AA, UV- vis; analisi Rietveld; catlab interfacciato con spettrometro di massa per misure TPR, TPO, TPD; spettrometri NMR alto campo in soluzione e stato solido; gascromatografi, Gas-Massa, IR, Uv-Vis; banchi per la valutazione delle performance di cella e potenziostati-galvanostati; lavorazioni meccaniche.

Tecniche di indagine La progettazione, sintesi e sviluppo di nuovi elettrocatalizzatori anodici e catodici, nonchè di membrane polimeriche e di ionomeri, richiede l'impiego di una grande varietà di tecniche di indagine e di metodologie: sintesi organiche, inorganiche, metallorganiche e modellizzazione teorica di superfici, di nanoparticelle, di supporti porosi, di materiali conduttivi e di membrane e ionomeri (tecniche EXAFS, XANES, HRTEM, SANS, AFM, XRPD, porosimetria, AA, UV- Vis, analisi Rietveld, assorbimento di gas (IR con molecole sonda) e a temperatura programmata (TPRD,TPOD, TPD). È inoltre cruciale l'impiego di metodologie elettrochimiche (voltammetria ciclica, curve di potenza, di polarizzazione e spettroscopia di impedenza), di microscopia elettronica in trasmissione e in scansione, di tecniche di indagine NMR in soluzione e allo stato solido, di sviluppo della componentistica di cella (elettrodi, membrane, ionomeri, assemblati membrana-elettrodi, realizzazione di stack, sviluppo di hardware di cella a combustibile, di celle elettrolitiche e studio degli intermedi di reazione ed esausti di cella a combustibile diretto (NMR, HPLC, Cromatografia ionica, GC-MS, IR, UV-Vis).

Tecnologie Preparazione di ink per elettrodi di celle a combustibile. Costruzione di elettrodi per celle a combustibile mediante presse meccaniche ed idrauliche. Costruzione di celle monoplanari (serbatoi, piatti bipolari) per celle ad idrogeno (PEMFC) e ad alcol diretto (DAFC). Fabbricazione di assemblati membrana-elettrodi (MEA). Costruzione di apparati elettrolitici per la produzione di idrogeno.

Collaborazioni (partner e committenti) Collaborazioni con piccole medie industrie: Mossi&Ghisolfi (oggetto della collaborazione: valorizzazione del glicerolo); ACTA SPA (oggetto della collaborazione: sviluppo di catalizzatori a base di metalli non nobili nanostrutturati); ARGUS CHEMICALS SRL (oggetto della collaborazione: esecuzione di analisi chimiche via NMR e GC-MS). Ministero: MIUR, Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca - FISR, progetto: nanosistemi inorganici ed ibridi per lo sviluppo e l'innovazione di celle a combustibile. Unione Europea, Integrated Design of Catalytic


Nanomaterials for a sustainable production ' IDECAT, Network of Excellence. Università e Consorzi: University di Edinburgh (UK), Università di Roma la Sapienza, Università di Pisa, Università dell'Insubria - Como, Università di Firenze, Consorzio Interuniversiatrio per la Scienza e Tecnologia dei Materiali- INSTM. Laboratorio Firenze Hydrolab dell'Ente Cassa di Risparmio di Firenze.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Verrà rinnovato un contratto conto terzi tra ICCOM e ARGUS CHEMICALS (18.000 €). Sarà attivo fino ad Aprile 2009 un pogetto FISR dal titolo "Nanosistemi inorganici e ibridi per lo sviluppo e innovazione di celle a combustibile" (modulo 1 e modulo 2). Continuerà fino al 2010 un progetto centrato sullo studio di elettrocalizzatori per FC all'interno del Network IDECAT (modulo 1 e modulo 2). Dal 2009 sarà attivo un progetto di ricerca finanziato dalla Regione Toscana dal titolo "Concentrated PV combinEd SolAR Energy system" (88.000 € nel periodo 2009-2010). È in corso con ACTA SpA, un progetto di ricerca valido fino a Luglio 2009 (60.000 €, modulo 1; Il modulo 2 stipulerà un contratto di ricerca con Idea Lab (24000 €). È in corso fino al 2010 un progetto Prin dal titolo "Processi sostenibili di 2a generazione di produzione H2 da sorgenti rinnovabili" (48.000 €). È stato stipulato un Conto Terzi con l'azienda Emiteck srl per la fornitura di catalizzatori per celle a combustibile (20.000 €). Un progetto sulle celle a combustibile a bassa temperatura sarà presentato nell'ambito del VII FP. È stato presentato un progetto di ricerca, bando Industria 2015 (80.000 €). Nell'ambito del progetto HYDROLAB FIRENZE, per il 2009 è stata presentata una richiesta di finanziamento (50.000 €). È stato presentato un progetto di ricerca all’istituto bancario Monte dei Paschi di Siena dal titolo "Concentrated photo voltaic combined solar energy system" (100.000 €). È stato approvato dall'ICS UNIDO il finanziamento per una borsa di studio annuale per giovani ricercatori di paesi in via di sviluppo. Sarà presentato un progetto di ricerca alla regione Lazio e diversi istituti bancari, riguardo l'impiego di celle a combustibile alimentate con bioidrogeno ottenuto da batteri termofili in un impianto di recupero rifiuti solidi urbani provenienti dalla discarica Bracciano Ambiente. Sarà presentato alla Regione Toscana un progetto di ricerca riguardo la produzione di energia da fonti rinnovabili, per il finanziamento di un assegno di ricerca triennale nell'ambito di un nuovo piano di finanziamento della ricerca in Toscana. Un progetto Prin sullo sviluppo di elettrocatalizzatori sarà presentato.

Finalità

Obiettivi Elettrocatalizzatori anodici e catodici privi di platino o a bassissimo contenuto di metalli nobili per elettrodi di FC ad idrogeno e a combustibile diretto, preferibilmente etanolo e carboidrati in soluzioni acquose; ionomeri e membrane ad alta conducibilità a scambio anionico stabili a temperature 60-80 °C. Realizzazioni di MEA e hardware di celle monoplanari ad alta densità di corrente. Comprensione degli effetti delle procedure preparative (procedura di complessazione con polimeri e leganti degli ioni metallici; decomposizione dei polimeri e leganti) sulla struttura e morfologia delle nanoparicelle metalliche deposte su supporti carboniosi negli elettrocatalizzatori. Comprensione delle relazioni struttura-proprietà catalitiche degli elettrocatalizzatori. Elettrocatalizzatori privi o con basso contenuto di metalli nobili da impiegare in celle elettrolitiche a scambio anionico per la produzione di idrogeno da acqua o da soluzioni acquose di ammoniaca. Realizzazione di elettrocatalizzatori selettivi per la produzione di composti C2/C3 di interesse industriale a partire da risorse rinnovabili. Pubblicazioni scientifiche, brevetti di invenzione, prototipi e dispositivi.

Risultati attesi nell'anno 1) Impiego degli elettrocatalizzatori già in possesso di questa unità, in celle DAFC attive e passive alimentate con combustibili rinnovabili, al fine di studiare e approfondire le grandi potenzialità mostrate in termini di densità di potenza erogata . 2) Realizzazione di piccoli stack per alimentare strumenti di elettronica portatile. 3) Elettrossidazione del glicerolo e del propandiolo, in composti C2 o C3 di interesse industriale, 4) Almeno una nuova formulazione di un catalizzatore catodico costituito da metalli non nobili e una piccola percentuale di metallo(i) nobile da impiegare nell'elettrolisi di ammoniaca, etanolo e glicerolo e da derivati lignocellulosici. 5) Elettrossidazione di alcoli ad opera di nuovi catalizzatori potenziati da suppoti fotosensibili. 6) Realizzazione di celle rigenerative di tipo URFC interfacciate con un sistema integrato fotovoltaico ad alta concentrazione. 7) Caratterizzazione strutturale e morfologica dei nuovi elettrocatalizzatori ottenuti mediante deposizione spontanea di metalli nobili su catalizzatori nanostrutturati o su fasi metalliche spugnose del tipo N-Zn-P o del tipo Urushibara, e realizzazione di elettrodi anodici per DAFCs. Le celle monoplanari attive e passive saranno alimentate con etanolo, glicole etilenico, glicerolo e polialcoli in genere. 8) Sintesi di elettrocatalizzatori per l'ossidazione di 1,2 propandiolo ad acido lattico. 9) Realizzazione di un prototipo di cella per la caratterizzazione elettronico-morfologico-strutturale mediante spettroscopia EXAFS in trasmissione di entrambi gli elettrodi in condizioni di alimentazione diretta per consentire l'acquisizione degli spettri in condizioni di alimentazione. 10) Realizzazione di prototipi. 11) brevetti di invenzione e pubblicazioni scientifiche.


Potenziale impiego - per processi produttivi Microgenerazione di energia (10-100 W) attraverso la costruzione di generatori portatili costituiti da stack di celle alimentate con soluzioni acquose di alcoli e da aria. Sviluppo di dispositivi per alimentare strumenti di elettronica portatile (telefoni cellulari, computers portatili, lampade di emergenza). Entrambi i settori hanno una rilevanza industriale ed economica di primo piano (centinaia di milioni di pezzi). Obiettivo futuro: dispositivi APU per automotive. Produzione di idrogeno per alimentare celle a combustibile. Ossidazione di composti biosostenibili come il glicerolo in composti di grande rilevanza industriale per esempio l'acido lattico o l'acido glicerico. Produzione di idrogeno per elettrolisi di soluzioni acquose di composti rinnovabili come bioetanolo, glicerolo e zuccheri. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Sviluppo sostenibile. Distribuzione di piccole potenze per elettronica e sistemi ausiliari in località remote dove l'energia distribuita non arriva. Uso di combustibile rinnovabili come l'etanolo, a basso effetto serra e di idrogeno per la produzione di energia. Produzione di idrogeno che non prevede l'utilizzazione di combustibili fossili. Formazione di personale altamente qualificato da poter impiegare in aziende specializzate nel settore. Moduli

Modulo: Elettrocatalizzatori per celle a combustibile ed elettrolitiche e per la trasformazione selettiva di risorse rinnovabili

Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Elettrocatalizzatori per celle a combustibile ed elettrolitiche e per la trasformazione selettiva di risorse rinnovabili

Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie molecolari Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Processi catalitici per la produzione ad alta efficienza e selettività (chemo-, regio- , stereo ed enantio-) di fine chemicals Dati generali

Progetto: Prodotti e processi innovativi per la chimica sostenibile Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Progettazione Molecolare Responsabile indicato: PIERLUIGI BARBARO Temi

Tematiche di ricerca • Metodi sintetici innovativi: preparazione di leganti (chirali, polidentati, etc.), nanoparticelle metalliche e

complessi molecolari utilizzabili come catalizzatori selettivi omogenei. • Sviluppo di catalizzatori chemo-enzimatici. • Eterogeneizzazione di catalizzatori molecolari e preparazione di catalizzatori nanostrutturati. • Preparazione di supporti solidi insolubili. • Caratterizzazione di catalizzatori molecolari ed eterogenei. • Impiego di catalizzatori omogenei ed eterogenei in processi selettivi (chemo-, regio, stereo, enantio) ad alta

efficienza: idrogenazione di olefine, chetoni, immine ed aromatici, trasferimento di idrogeno a chetoni ed immine, idroformilazione.

• Ottenimento per via catalitica di composti di chimica fine ad alto valore aggiunto e di interesse industriale: farmaceutici, agrochimici.

• Recupero e riciclo di catalizzatori eterogenei. • Sviluppo di metodologie catalitiche alternative: trasferimento di fase, bifasi acquose. • Studio della influenza della nuclearità del metallo sull’efficienza di sistemi catalitici e della natura del supporto

sulla performance dei catalizzatori eterogeneizzati. • Studio delle relazioni reattività - struttura e dei meccanismi di reazione.

Stato dell'arte L’ottenimento e l’impiego di sistemi catalitici innovativi altamente attivi e selettivi per la produzione di intermedi di chimica fine e di prodotti dell'industria farmaceutica, cosmetica ed agrochimica è un campo di particolare importanza da un punto di vista sia economico che ambientale. Numerose strategie sono state sviluppate negli ultimi anni a questo scopo. In particolare: l’eterogeneizzazione di sistemi catalitici omogenei, la preparazione di catalizzatori metallici nanostrutturati, l’impiego di sistemi catalitici (mezzi di reazione e reagenti) alternativi, lo sviluppo di catalizzatori ibridi chimico-biologici. Fra gli obbiettivi primari di tali ricerche è lo sviluppo di catalizzatori che possano essere riutilizzati e/o utilizzati in reattori (in continuo o in flusso) per applicazioni industriali. In effetti, molte applicazioni su larga scala sono limitate dal costo dei catalizzatori, dalla complessità della loro preparazione, dal loro degrado o dalla difficoltà di riciclo. Questa tematica è riconosciuta come primaria da varie istituzioni e progetti a livello Europeo: il settimo Programma Quadro, la Piattaforma Tecnologica Europea "Sustainable Chemistry", il CEFIC.


Azioni

Attività da svolgere L’attività sarà centrata sul design, preparazione ed impiego di catalizzatori innovativi e dei loro precursori per processi sostenibili (sia in fase omogenea che eterogenea). Si prevede, in particolare, lo svolgimento seguenti punti: • preparazione e caratterizzare nuovi catalizzatori di rodio, rutenio e platino con leganti fosfinici monodentati non

racemi e loro valutazione in reazioni di idrogenazione, trasferimento di idrogeno e idroformilazione asimmetrica in fase omogenea,

• sintesi di complessi rodio-proteina Rh(I)/HSA (Human Serum Albumine), • preparazione di catalizzatori nanostrutturati, derivati da vapori di metalli, da impiegare in reazioni selettive di C-

C coupling, idrogenazione, ossidazione, • "scale up" di catalizzatori derivati da vapori di metalli dalla scala laboratorio a scala di impianto pilota, • costruzione di reattori a membrana catalitica per idrogenazione asimmetrica , • immobilizzazione di complessi molecolari e nanoparticelle metalliche su silici mesoporose ordinate, sviluppo di

catalizzatori stereoselettivi per l’idrogenazione di aromatici, • eterogenizzazione di catalizzatori stereoselettvi omogenei su resine a scambio ionico, • sintesi enantioselettiva di indoli, iso-indoloni, benzofurani, carbossi-morfoline e fosfine a simmetria C3 per

catalisi asimmetrica, • sintesi di "morfolino" oligomeri, • messa a punto di una risoluzione chemo-enzimatica di alcoli secondari, • impiego di catalizzatori eterogenei per la sintesi di eteri asimmetrici da composti carbonilici aromatici ed alcooli, • impiego di catalizzatori mesoporosi di Ti per la conversione di alcheni in dioli e per l'ossidazione selettiva di

fenoli, • studio di sistemi eterogenei di ossidazione attivi con ossigeno molecolare.

Punti critici e azioni da svolgere • Limitata disponibilità si strumentazioni e tecniche di indagine per lo sviluppo e test di catalizzatori, es. sistemi di

reattori in parallelo, spettrometri di massa. • Difficoltà nel reperimento e disponibilità di fondi per l’acquisto di consumabili, materiali ed attrezzature da

laboratorio. • Analisi dell'attività biologica degli eterocicli azotati e ossigenati chirali prodotti. • Valutazione, quali ausiliari chirali, dei benzosultami, delle morfoline e delle fosfine chirali in processi catalitici. • Studi elettrochimici sulla disponibilità elettronica delle fosfine chirali. • Studi computazionali, per determinare le barriere di enantiomerizzazione. • Studi strutturali cristallografici sui fosfinossidi e sulle fosfine enantiomere residue. • Screening della reattività di anioni organici-inorganici in reazioni di sostituzione nucleofila in liquidi ionici e in

FBS. • Preparazione di catalizzatori acidi microstrutturati. • Studio di processi catalitici ossidativi di substrati organici e di idrogenazione di eterocicli. • Apertura di epossidi in condizioni di CTF utilizzando nuovi polipodandi o in condizioni di catalisi eterogenea. • Studi di efficienza catalitica di catalizzatori nella metatesi di olefine. • Ottimizzazione delle selettività nelle ossidazioni in fase liquida. • Ottenimento di catalizzatori solidi stabili e riciclabili. • Scelta accurata di sistemi catalitici, mezzi di reazione e dei singoli componenti per lo sviluppo di sequenze

reazionali catalitiche. • Preparazione di sistemi ibridi metallo-sito singolo per l'ossidazione selettiva e ottimizzazione delle condizioni di

reazione per una catalisi bifunzionale. • Ottimizzazione dei catalizzatori ibridi a base di complessi chirali di Rh e nanoparticelle metalliche (dimensioni

complesso rispetto a diametro dei pori del supporto).


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Sintesi di composti organici; • Sintesi di leganti (chirali e/o polidentati); • Sintesi speciali in atmosfera controllata; • Sintesi di polimeri; • Sintesi di catalizzatori omogenei (composti organometallici e complessi metallici); • Sintesi di materiali di supporto solidi insolubli; • Eterogeneizzazione di catalizzatori omogenei; • Preparazione di catalizzatori nanostrutturati utilizzando vapori di metalli; • Catalisi omogenea ed eterogenea (chemo-, regio-, diastereo- ed enantioselettive); • Studio dei meccanismi di reazione; • Reazioni di idrogenazione, trasferimento di idrogeno, idroformilazione, ossidazione; • Reazioni in alta pressione di gas; • Caratterizzazioni spettroscopiche e microscopiche: composti organici, composti metallorganici, materiali

catalitici nanostrutturati, caratterizzazioni in situ e in condizioni catalitiche, materiali solidi di supporto; • Costruzione di reattori; • Misure cinetiche; titolazioni quantitative di ioni e acquametria secondo Karl-Fischer • Modellazione molecolare.

Strumentazione Strumentazioni spettroscopiche (NMR), microscopiche (SPM, BET), spettrofotometriche (IR, UV-VIS) cromatografiche e spettrometriche (GC, GC-MS, HPLC, GLC), analitiche (Karl-Fischer), termogravimetriche (TGA, TPD), diffrattometriche (XRD singolo cristallo e polveri).

Tecniche di indagine Tecniche sintetiche e catalitiche. Preparazione di catalizzatori eterogenei nanostrutturati. Tecniche d'indagine e di modelling.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Istituto Europeo di Catalisi (ERIC) Laboratoire de Chimie, Catalyse, Polymères et Procédés, Lyon Institut Charles Gerhardt, Montpellier Instituto de Investigaciones Químicas, Sevilla Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, Zaragoza Katholieke Universiteit Leuven University of St. Andrews BASF Catalyst Research Center Technische Universiteit Eindhoven Utrecht University Dipartimento di Chimica e NIS centro di Eccellenza, Università di Torino Ecole Nationale Supérieure del Ingénieurs en Arts Chimique et Technologiques (ENSIACET) Tolosa, Francia Università di Manchester, Regno Unito Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier, FRANCIA Research School of Chemistry, Australian National University, Canberra, Australia Network di Eccellenza IDECAT, VI Programma Quadro EU STREP GSOMEN, VI Programma Quadro EU Dipartimento di Chimica Organica e Industriale - Università Milano Politecnico di Milano Università di Poitiers - Francia Università di Paris VI - Francia Università di Poznan - Polonia Università di Padova Boreskov Institute of Catalysis, Novosibirsk – Russia Università di Saragozza - Spagna Università degli studi di Sassari Università Cà Foscari di Venezia Università RWTH di Aachen


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Preparazione progetti di finanziamento nazionali (PRIN) ed internazionali (Comunità Europea Settimo Programma Quadro). Interazione con industrie chimiche e farmaceutiche, nazionali e non, per la produzione di "fine chemicals" con i catalizzatori a nostra disposizione.

Finalità

Obiettivi Preparazione a basso costo ed alto rendimento di leganti otticamente puri. Preparazione di catalizzatori (omo- ed eterogenei) ad elevata attività e selettività per processi a basso impatto ambientale. Sviluppo di tecniche catalitiche per produzione su larga scala di composti organici secondo le i principi della "Green Chemistry". Utilizzo della catalisi in trasferimento di fase per la sintesi di composti industriali. Comprensione dei meccanismi di reazione e delle relazioni reattività – struttura. Ottimizzazione della stereoselettività nella sintesi di molecole attive. Sostituzione di reagenti stechiometrici, catalizzatori a base di metalli nobili e/o contenenti elementi nocivi, in processi di chimica fine. Sviluppo di catalizzatori metallo-proteina selettivi. Sviluppo di catalizzatori e tecniche per la eterogeneizzazione, il recupero ed il riciclo di catalizzatori. Produzione di materiali solidi innovativi come supporto per catalizzatori. Ricerca di liquidi-ionici con miglior stabilità e potere solvente e di facile recupero. Applicazione di sintesi multicomponenti alla preparazione di molecole eterocicliche. Progettazione e realizzazione di reattori per catalisi selettive.

Risultati attesi nell'anno • Sintesi e caratterizzazione di complessi di rutenio e platino con i leganti fosfaciclici monodentati a chiralità

assiale: applicazione alla idrogenazione e trasferimento di idrogeno di alcheni funzionalizzati e chetoni e idroformilazione di stirene e metil acrilato;

• Delucidazione degli stadi elementari dell’idrogenazione asimmetrica promossa da catalizzatori di rodio; • Preparazione di catalizzatori nanostrutturati derivati vapori di metalli, depositati su supporti organici ed

inorganici ad elevata attività e selettività in reazioni di coupling C-C e di idrogenazione; • sintesi di aldeidi regioisomere via idroformilazione rodio-catalizzata e loro impiego in processi domino per la

sintesi di composti naturali; • sviluppo e impiego di reattori a membrana catalitica per idrogenazione enantioselettiva; • produzione di resine a cambio ionico innovative: eterogenizzazione di catalizzatori omogenei per idrogenazione

asimmetrica; • sintesi di nuovi benzosultami polisostituiti, morfoline e indoli; • sintesi di nuovi liquidi ionici e loro impiego quali solventi eco-compatibili alternativi ai mezzi di reazione

convenzionali; • sintesi e separazione su scala di una nuova serie di coppie di fosfinossidi enantiomeri; • sintesi di eterocicli di interesse farmacologico mediante attivazione catalitica, sequenziale di legami C-I e C-H di

iodoareni e successiva funzionalizzazione; • impiego di nuovi catalizzatori eterogenei per la funzionalizzazione selettiva di molecole organiche mediante

reazioni di Ullmann, Sonogashira, di apertura di epossidi, di metatesi di olefine, di idrogenazione asimmetrica di areni e composti eterociclici;

• ossidazione con alte rese e selettività di fenoli sostituiti su sistemi a base di titanio/silice ed individuazione della specie attiva tramite sistema modello Ti-silsesquiossano opportunamente sintetizzato.

Potenziale impiego - per processi produttivi L'impiego dei catalizzatori ottenuti è previsto nel settore della chimica industriale per la produzione su larga scala di fine chemicals. In particolare, lo studio è rivolto allo sviluppo di metodologie innovative per il miglioramento di processi catalitici con finalità di sostenibilità ambientale ed economica. A tal scopo i catalizzatori ottenuti dovranno conformarsi al maggior numero dei seguenti requisiti: • minimo impatto ambientale, • minimizzazione dello sfruttamento delle risorse naturali, • minimizzazione della produzione di materiali di scarto e/o inquinanti e/o nocivi; • contenimento dei costi, • recupero e riciclo dl catalizzatore, • operatività in condizioni di reazione blande, • eccellente attività e selettività, • sostituzione di metodiche tradizionali di sintesi, • sostituzione di solventi e reagenti non eco-compatibili, • facilità di preparazione ed utilizzo, • adattabilità all’utilizzo in reattori, • versatilità (in termini di substrati e reazioni sfruttabili) • trasformazione di processi stechiometrici in processi catalitici.


- per risposte a bisogni individuali e collettivi Le risposte ipotizzabili sono nel settore della sostenibilità dei processi produttivi a livello industriale, nella compatibilità ambientale e nella produzione di nuove molecole altamente sofisticate, non sintetizzabili con metodiche "classiche", e/o dotate di proprietà esclusive (agrochimiche, terapeutiche, fragranze, etc.). In particolare, lo sviluppo di metodologie innovative per la produzione di composti chimici altamente elaborati rappresenta un obiettivo di primaria importanza in una società in cui la richiesta crescente (quantitativa e qualitativa) di tali composti contrasta con la necessità di ottenerli con la minor incidenza economica, ambientale e di consumo energetico. Moduli

Modulo: Processi catalitici per la produzione ad alta efficienza e selettività (chemo-, regio- , stereo ed enantio-) di fine chemicals

Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Luogo di svolgimento attività: Sede di Pisa

Modulo: Catalizzatori per la produzione chemo-, regio- e stereoselettiva di fine chemicals

Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie molecolari Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Catalizzatori ad alta selettività in reazioni di idroformilazione ed idrogenazione

Istituto esecutore: Istituto di chimica biomolecolare Luogo di svolgimento attività: Sede di Sassari


Modellizzazione della Reattività Chimica Dati generali

Progetto: Modelling predittivo delle funzionalità in sistemi nanostrutturati di interesse biologico e tecnologico

Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Progettazione Molecolare Responsabile indicato: ANDREA IENCO Temi

Tematiche di ricerca La chimica computazionale, definita "in silico" in contrapposizione a quella fatta "in vivo" nei laboratori, è strumento essenziale per caratterizzare intermedi o stati di transizione nelle reazioni chimiche. Processi innovativi per lo sviluppo delle scienze molecolari, in settori strategici quali la biologia, la catalisi, la sintesi di nuovi materiali, non possono prescindere dal potere interpretativo e predittivo dei metodi teorici. La conoscenza e la razionalizzazione del funzionamento di una reazione è il primo passo per lo sfruttamento di un processo. Basata su una profonda conoscenza delle relazioni struttura-proprietà, la nostra attività sarà mirata a studiare, con metodi quantomeccanici, alcuni processi fondamentali per la progettazione di funzionalità molecolari, meccanismi di reazioni (organiche o enzimatiche) in cui la selettività gioca un ruolo fondamentale, come pure meccanismi dell'adsorbimento di aggregati molecolari o molecole organiche su superfici inorganiche per migliorarne la biocompatibilità. Con metodi basati sulla meccanica e la dinamica molecolare si studieranno anche processi quali l'autoassemblaggio di molecole biologiche e l'inibizione enzimatica.

Stato dell'arte Due fattori hanno contribuito allo sviluppo della chimica computazionale. Il costo del "calcolo" è sceso costantemente negli ultimi decenni e parallelamente alla disponibilità di più potenti risorse computazionali, ci sono stati pari sviluppi sui pacchetti software dedicati alla modellistica chimica. La chimica computazionale è quindi potenzialmente uno strumento a disposizione dei chimici per la validazione degli esperimenti realizzati ma anche con notevoli capacità predittive di nuove reazioni. Oggi, è possibile studiare reazioni su sistemi chimici complessi con rilevanza fondamentale sia per la chimica fine (organometallica) e biologica. Molti gruppi nel mondo cercano di ottimizzare processi quali la produzione di idrogeno, il suo storage, il trasferimento dei suoi elettroni a substrati. Sistemi di questo tipo sono stati sviluppati dalla natura da milioni di anni (es. le idrogenasi FeFe o FeNi). Lo studio di reazioni di natura chirale è di grande interesse a livello mondiale. È in questi settori, con importanti possibilità di applicazione (progettazione e sintesi di farmaci, implantologia medica) che la presente commessa si vuole inserire ed operare. Azioni

Attività da svolgere Si concluderà il lavoro già svolto sull'attivazione di idrogeno da parte del modello di idrogenase proposto da Ogo et. al.. Per quanto riguarda la modellazione della Fe-idrogenasi sono previste simulazioni a principi primi di interazione tra ossigeno o superossido e modelli dell'H-cluster di idrogenasi. Valutazione di vincoli imposti dalla matrice proteica (accessibilità, vincoli geometrici sulle catene laterali delle cisteine che legano il cluster). Simulazioni classiche di diversi tipi di Fe-idrogenasi per capire come mai alcune (Thermotogales) sono più resistenti all'ossigeno. Si continuerà poi a studiare la relazione fra il coupling/uncoupling dei disolfuri e l'idrogeno molecolare assistito da due o tre frammenti metallici. Si completerà poi il lavoro sull'attivazione eterolitica dell'idrogeno molecolare dei complessi con siti vuoti od occupati da legami agostici. Studi di reazioni catalitiche per trasformare chetoni in alcol attraverso l'attivazione di idrogeno molecolare o il trasferimento di idrogeno, promossi da complessi di rutenio. Tali studi sono particolarmente importanti perché tendono a chiarire gli importanti processi di questo tipo introdotti dal premio Nobel Noyori e tuttora soggetti ad un'interpretazione critica. Incorporazione di peptidi nelle membrane fosfolipidiche attraverso uno studio modellistico mediante calcoli di Dinamica Molecolare. Nella prima parte di questo progetto si analizzerà il fenomeno dell'elettroporazione, ovvero la formazione temporanea di pori attraverso la membrana mediante l'applicazione di un campo elettrico. I pori rendono


permeabili le cellule consentendo il trasferimento di materiale al loro interno. (molecole e ioni) Successivamente si intende affrontare lo studio del meccanismo alla base dell'incorporazione di peptidi in membrane lipidiche. Il meccanismo serve a capire come possano interagire peptidi e lipidi e come la composizione lipidica possa modulare le proprietà chimico-fisiche delle membrane. Attraverso la collaborazione con il Prof. Gimisis il gruppo di Bologna intende contribure, attraverso uno studio teorico del meccanismo, a sviluppare un indipendente approccio sintetico verso i sistemi, che sono i prodotti pirimidinici del danno ossidativo alla timina, una delle 4 basi del DNA. Lo studio meccanicistico verrà fatto attraverso l'uso del funzionale densità.

Punti critici e azioni da svolgere L'insufficienza di risorse di calcolo adeguate può essere uno dei fattori limitanti lo sviluppo della ricerca. Infatti, i calcoli su sistemi complessi, come i siti attivi di proteine o altre specie polinucleari metallorganiche con potenzialità catalitiche e contenenti sostituenti ingombranti, sono molto impegnativi. Inoltre, il solvente gioca un ruolo importante ed un suo adeguato trattamento richiede grandi risorse di calcolo che non sono disponibili alle singole unità. È auspicabile che attraverso il progetto 7, ci possa essere una condivisione delle risorse di calcolo esistenti tra i vari gruppi ma soprattutto sia facilitato l'accesso a risorse aggiuntive consistenti, come quelle dei grandi centri di calcolo.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Per sfruttare al meglio la potenzialità della chimica computazionale, il ricercatore deve avere un'adeguata preparazione su metodi teorici avanzati ed uso dei calcolatori. Il ricercatore deve anche possedere approfondite conoscenze dei processi chimici per dialogare con gli sperimentalisti e suggerire esperimenti. I gruppi di Pisa, di Bologna e di Firenze, impegnati in questa commessa, hanno una storia che garantisce la qualità del loro approccio come dimostrato dalla loro credibilità internazionale e dalle numerose e importanti pubblicazioni. Inoltre i gruppi hanno contribuito, pur in modo diverso allo sviluppo ed applicazione di metodologie computazionali. I ricercatori di Pisa, cresciuti in una scuola di alto profilo chimico-fisico, hanno ampliato con P. Kollman il raggio applicativo dei metodi sviluppati. I ricercatori di Firenze hanno un approccio più qualitativo (appreso anche attraverso gli insegnamenti di R. Hoffmann) che si è realizzato attraverso lo sviluppo di software molto diffuso (CACAO). Il gruppo di Bologna si è sempre occupato di reattività chimica studiando problematiche sui fondamenti della chimica organica e sviluppando metodi computazionali adatti (MCSFC).

Strumentazione Per sviluppare la ricerca è necessario avere a disposizione adeguate risorse di calcolo sia hardware che software. Per quanto riguarda i calcolatori, questi vanno dai personal computers ai più potenti elaboratori dei centri di calcolo nazionali (disponibili in quantità limitata attraverso alcuni accordi del CNR con il CINECA). Inoltre, esistono nei singoli istituti di Pisa e Firenze dei cluster realizzati mettendo insieme più stazioni di lavoro. Data la complessità dei sistemi da studiare questi mezzi non sono tuttavia sufficienti ed è auspicabile che possano essere integrati nello sviluppo della Commessa. Per il software useremo pacchetti di calcolo commerciali oppure messi a disposizione dalla comunità scientifica attraverso licenze di utilizzo open source o di altro tipo. Ricordiamo inotre che utilizziamo anche versioni modificate ad hoc dei programmi disponibili e che siamo in grado di parametrizzare composti nuovi o stati di transizione per l'utilizzo in simulazioni di meccanica/dinamica molecolare/FEP (Pisa). Esiste poi del software sviluppato autonomamente (es. CACAO) che è tuttora molto utilizzato nelle ricerche.

Tecniche di indagine I metodi usati per lo studio saranno scelti in base al tipo di processo chimico in esame e dalla dimensione del problema. In generale, si utilizzeranno le tecniche ab-initio (HF e post HF), del funzionale densità (DFT) per problemi di media dimensione mentre per quanto riguarda ad esempio le reazioni catalizzate da enzimi utilizzano sia metodi QM/MM, sia QM/FEP. Inoltre abbiamo anche l'esperienza necessaria per studi di dinamica molecolare con il metodo di Car-Parrinello, che può offrire un punto di vista diverso ed integrarsi molto bene con i metodi precedenti. Spesso gli studi teorici non si limitano ad un singola specie chimica ma riguardano intere classi di molecole affini anche al fine di individuare dal confronto quali sono i parametri chimici che giocano nello sviluppo di una data reazione. Per questo è necessario uno studio preliminare degli aspetti stereochimici (attraverso l'uso di banche di dati cristallografici). Inoltre molte idee sono derivate dallo studio qualitativo degli MO sia in fase preliminare (per focalizzare gli aspetti da approfondire) sia in fase di analisi qualitaiva di dati numerici accurati ottenuti, ad esempio, con ottimizzazioni DFT.


Tecnologie I metodi di modellizzazione includono, come già indicato, la ricostruzione al calcolatore della densità elettronica delle molecole coinvolte nella reazione chimica. Un approccio consiste nel determinare la superficie dell'energia potenziale nel corso della reazione al fine di trovare il percorso più probabile della reazione stessa. Per questo è necessario caratterizzare stati di transizione o intermedi sui quali spesso non esistono informazioni sperimentali. Una volta delineato il possibile meccanismo della reazione, si dovrebbero valutare per ciascuno dei punti stazionari le proprietà di legame chimico al fine di valutare se perturbazioni dovute a sostituenti, solvente, interazioni intermolecolari, etc. possano modificare il cammino. Quest'ultimo approccio possiede un alto valore predittivo ed è particolarmente importante. Oltre alla determinazione di punti chiave delle reazione (fissati dal calcolo in maniera statica), l'approccio Car-Parrinello risulta particolarmente utile per seguire la dinamica del sistema ed indicare i punti da monitorare con particolare attenzione. La ricerca intende muoversi anche nel senso di combinare l'uso dei due metodi.

Collaborazioni (partner e committenti) Come detto, gli argomenti di studio della commessa, hanno alta rilevanza internazionale e i proponenti sono in contatto con molti dei gruppi leaders a livello mondiale, sia nel campo sperimentale che teorico. Il gruppo di Firenze ha già in atto diverse collaborazioni per quanto riguarda lo studio degli studi legati alla reattività idrogeno anche su sistemi solforati. Fra le altre ricordiamo, Prof. Thomas Rauchfuss (University of Illinois at Urbana), Prof. Maria Josè Calhorda (Università di Lisbona), Prof. Walter Baratta (Università di Udine), Prof. Pierre Dixneuf (Università di Rennes), Prof. Roald Hoffmann (Cornell University), Prof. Pierre Braunstein (Univerità di Strasburgo) Il gruppo di Pisa collabora con il prof. Raffaello Lazzaroni dell'Università di Pisa e con il prof. Peter I. Nagy della University of Toledo, Ohio, sui meccanismi di reazione, mentre per l'adsorbimento collabora con l'Università di Roma Tre e con l'Università di Greifswald. Il gruppo di Bologna collabora con Thanasis Gimisis (Università di Atene), Javier Gonzalez (Università di Oviedo), Francesco Zerbetto (Università di Bologna) e con colleghi sperimentali Istituto ISOF del CNR, Dr.ssa Giovanna Barbarella, Dott. Mauro Panunzio e Dott. Arturo Battaglia.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate I gruppi si adepereranno per entrare a far parte di networks nazionali e internazionali. In questo caso, potranno anche farsi promotori o partecipare a progetti di ricerca comuni. Inoltre saranno fatte domande per ottenere grants per risorse di calcolo su centri di calcolo nazionale ed internazionale per esempio presso il CINECA, il NIC (Juelich, Germania) o attaraverso lo strumento HPC-Europa.

Finalità

Obiettivi Crediamo che il nostro lavoro sia importante su due livelli. Il primo è mirato all'ottenimento di risultati nello studio della reattività chimica in sistemi contenenti soprattutto metalli di transizione con rilevanza nel campo della catalisi, della biomimetica e dell'implantologia medica. Il secondo è un approfondimento culturale dei principi che regolano il legame chimico e la sua evoluzione dinamica (reattività) anche al fine di dimostrare il valore intrinseco della chimica computazionale come strumento di indagine nei laboratori a coadiuvare le tecniche sperimentali. Inoltre l'integrazione dei gruppi di ricerca di Bologna, Firenze e Pisa sarà un ulteriore obbiettivo della commessa.


Risultati attesi nell'anno Gli studi teorici oltre ad avere una generale rilevanza per la comprensione di interazioni e reattività chimica, saranno particolarmente importanti per fornire al chimico una visione generalizzata dei meccanismi. Infatti sperimentalmente, la caratterizzazione di intermedi e stati di transizione non è generalmente accessibile, mentre il calcolo fornisce strumenti adeguati allo scopo. Le varie unità possono offrire adeguate competenze in questo tipo di ricerca chimica. Molti i temi che saranno analizzati e portati a termine. Un grosso impegno sarà dedicato alla scrittura di importanti lavori su riviste internazionali. Tra l'altro si pensa pubblicare il lavoro sul modello di idrogenase proposto da Ogo et. al. e quello sulle reazioni di attivazione e trasferimento di idrogeno da parte di catalizzatori di rutenio. Inoltre si acquisiranno dati su: lo studio del meccanismo di azione dell'ossigeno e del superossido sull'H-cluster dell'idrogenasi; la valutazione degli effetti dei vincoli imposti dalla matrice proteica; gli effetti sterici e di quelli elettrostatici su trasporto di ossigeno e superossido verso il sito attivo dell'idrogenasi; la valutazione delle differenze tra diverse idrogenasi (Clostridium pasteurianum, Chlamydomonas rheinardtii, Thermotogales). I risultati saranno anche presentati in conferenze, seminari e congressi nazionali ed internazionali.

Potenziale impiego - per processi produttivi Il campo della catalisi è ancora molto aperto anche per quanto riguarda sistemi classici. I proponenti si cimentano da tempo in questo tipo di studi. Un approfondimento delle conoscenze del legame chimico e della reattività, soprattutto di ioni metallici, ha una rilevanza generale che può essere sfruttata in vari settori sia nel campo della catalisi omogenea che della biomimetica. L'aumento della conoscenza sui fattori che determinano l'induzione asimmetrica ha ampie ricadute, potendo orientare il processo verso la produzione di sostanze di elevato valore commerciale con alta resa ed in assenza di sottoprodotti. La produzione biologica di idrogeno da parte di alghe verdi è considerata un metodo con possibili applicazioni su grande scala. Il processo converte l'energia solare catturata dalla fotosintesi vegetale in idrogeno molecolare. Le problematiche che ostacolano l'efficienza e sfruttabilità di questo processo necessitano di una comprensione, tuttora lacunosa, a livello molecolare dell'enzima FeFe-idrogenasi. Modelli QM/MM del sito attivo sono di grande interesse in questo contesto. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I singoli gruppi che collaborano alla ricerca, i loro partners e tutta la comunità chimica potranno trarre vantaggio di una più approfondita conoscenza del comportamento di vari sistemi rilevanti nel campo delle applicazioni catalitiche, della hydrogen economy, della stereoselettivita delle reazioni organiche etc. Nel caso dell'adsorbimento è stato dimostrato che metalli e leghe metalliche possono essere utilizzati con successo in implantologia medica. Il titanio e le sue leghe possiedono queste caratteristiche confermate dalla notevole quantità di dati di letteratura che concordano nel considerare i materiali a base di titanio eccellenti supporti per la dimostrata biocompatibilità ed osteointegrazione ed adatti ad applicazioni nei settori ortopedici ed odontoiatrici. La produzione fotobiologica di idrogeno da parte di alghe verdi costituisce una delle possibili risposte allo sviluppo di una produzione energetica sostenibile e associata a microgenerazione, senza la necessità di grandi impianti. La comprensione a livello molecolare di questo processo biologico contribuisce ad eliminare alcuni aspetti che ostacolano lo sviluppo di questa tecnologia. Moduli

Modulo: Studi modellistici per l’attivazione dell’idrogeno molecolare da parte di sistemi metallici anche con finalità biomimetiche

Istituto esecutore: Istituto di chimica dei composti organo - metallici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Reattività di sistemi biologici e di ispirazione biologica Istituto esecutore: Istituto per la sintesi organica e fotoreattività Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Tecnologie e processi laser nel manufacturing Dati generali

Progetto: Prodotti industriali higth tech Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Sistemi di Produzione Responsabile indicato: ROBERTO PINI Temi

Tematiche di ricerca • Trasferimento di innovazione industriale nel campo delle lavorazioni industriali a mezzo laser e relativa

sensoristica ottica. • Trasferimento di innovazione industriale nel campo delle tecnologie laser per chirurgia, diagnostica e terapia

medica. • Sviluppo e sperimentazione di nuove metodologie terapeutiche basate su nanoparticelle laser-attivabili e su laser-

terapie mininvasive in oculistica, neurochirurgia, dermatologia e chirurgia plastica. • Studi sui processi di interazione laser-tessuto biologico per applicazioni mediche e laser-materiale per lavorazioni

laser.

Stato dell’arte La commessa deriva dall’attività del Reparto "Sorgenti Laser ed Applicazioni" dell’ex Istituto di Elettronica Quantistica, di cui il capocommessa è stato responsabile fino alla costituzione del nuovo istituto aggregato IFAC. Si basa sull’esperienza maturata in oltre venti anni di ricerca e sviluppo su nuove sorgenti laser e loro applicazioni nelle lavorazioni industriali, in biomedicina e per i Beni Culturali. L’attività più recente ha riguardato la conduzione di vari progetti di trasferimento industriale che hanno coinvolto reti di aziende, centri di ricerca ed enti locali. L’attività presente si esplica nei seguenti contesti: • PROGRAMMI REGIONALI DI SVILUPPO E TRASFERIMENTO INDUSTRIALE, nell’ambito del

Programma Regionale Azioni Innovative e del DOCUP Toscana. • PROGRAMMA MIUR-FIRB "Smart Reflex" per lo sviluppo di sensoristica di processo indistriale. • RETI Europee ("ROM-Rete Ottica Paesi Mediterr. e "Photonics4Life", proposta). • COLLABORAZIONI CON IMPRESE ED AZIENDE LOCALI nei settori dell’optoelettronica, delle tecnologie

laser e dei prodotti biomedicali, tramite convenzioni, progetti comuni, contratti di ricerca. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Esperienza nella gestione di progetti e nel coordinamento di reti per la ricerca applicata ed il trasferimento

industriale nel campo delle applicazioni dei laser e dell’optoelettronica. • Competenze nella tecnologia e nella progettazione di sistemi laser e delivery systems per impiego industriale e

biomedicale (laser a diodo, eccimeri, Nd:YAG, CO2). • Competenze nello sviluppo e carratterizzazione di nanoparticelle laser-attivabili (nanogold, nanorods, collagene,

ecc) per uso medico ed insudtriale. • Competenze nello sviluppo di sistemi e tecniche per la diagnostica di processo nell’interazione laser-materiale

(diagnostiche spettroscopiche, ombrografiche, sensoristica in linea). • Competenze nella modellistica dei processi laser-indotti di ablazione, taglio, foratura, saldatura, micromarcatura e

cleaning di materiali di interesse industriale e tessuti biologici. • Competenze su tecniche laser-chirurgiche mininvasive (in oculistica, chirurgia vascolare, urologia,

neurochirurgia).


Strumentazione - Laser biomedicali prototipali e commerciali: 1. Laser a CO2, prototipale EL.EN (100 W, braccio articolato). 2. N.3 Laser a Diodo WELD 800 EL.EN (810 nm, 10 W CW, fibra ottica). 3. Laser a Diodo prototipale EL.EN. (810 nm, 3 W CW, fibra ottica). 4. Laser a Neodimio:YAG, SMART 1064, EL.EN (60 W CW, fibra ottica). 5. Laser a Vapori di Rame, DEKA-MELA (5 W @ 510 e 578 nm, 15 KHz, fibra ottica) - Stereomicroscopio Nikon SMZ 1500 (ingr. 0.75-11.25) - Microscopio a polarizzazione Leika DM2500 - Microscopio chirurgico Takagi con doppia visione - Colposcopio Vasconcellos - Sistema di acquisizione immagini per microscopi chirurgici (videocamera, monitor, 2 videoregistratori SVHS) - Spettrometro portatile StellarNet a fibra ottica con lampada a deuterio (banda 250-1200 nm) - Termocamera infrarossa FLIR M20 - Bilancia di precisione Mettler Toledo - Ecografo Esaote Caris - Datalogger Agilent 34790A - Power Meter Ophir Nova - Oscilloscopio Tektronix TDS1012 - Multimetri digitali Fluke - Banco ottico con accessori - Microscopio ad epifluorescenza Nikon per analisi multispettrale e microspettrometria - Spettroradiometro Photo Research

Tecniche di indagine ATTIVITÀ DI RICERCA DI BASE: • Test di prototipi di dispositivi optoelettronici (laser, LED, ecc.). • Sviluppo e caratterizzazione di nanoparticelle d’oro ed organiche per interazione laser • Sperimentazioni precliniche di tecnologie laser-chirurgiche su campioni biologici e modelli animali. • Sperimentazioni cliniche di sistemi laser-chirurgici. • Analisi microscopiche ottiche, SEM, TEM, fluorescenza, ecc. su campioni trattati con tecniche laser. ATTIVITÀ DI TRASFERIMENTO TECNOLOGICO: • Sviluppo di modelli Virtual Enterprise con aziende locali nel settore dell’0ttica e dell’optoelettronica bomedicale • Sviluppo di attività di clustering nel settore dell’Optolettronica • Ricerche di mercato nel settore dell’Optoelettronica

Tecnologie • Tecnologie laser • Nanotecnologie per interazioni laser • Tecnologie spettroscopiche • Tecnologie di dispositivi e componenti ottici ed optoelettronici • Microscopie ottiche, SEM, TEM, di fluorescenza • Modelli matematici di propagazione di radiazione luminosa nei materiali • Modelli matematici di dinamica termica nei materiali


Collaborazioni (partner e committenti) CON IMPRESE NEL SETTORE DELLE TECNOLOGIE LASER ED OPTOELETTRONICHE: - El.En. spa, tramite il Laboratorio pubblico-privato "IFAC-El.En." per Applicazioni Laser Biomedicali (convenzione bilaterale, resp. R.Pini) - Actis srl, Firenze. - Ligh 4 Tech srl, Scandicci (FI)°° CON ENTI LOCALI E UNIVERSITÀ: - Regione Toscana, Dipartimento allo sviluppo economico - Università di Firenze, Dip. di Elettronica e Telecomunicazioni, Facoltà di Fisica, Facoltà di Chimica, Facoltà di Medicina. - Università di Pisa, Dip. di Bioorganica - Università di Camerino, Dip. di Scienze Veterinarie - Università Cattolica del Sacro Cuore, Roma°° CON OSPEDALI E CLINICHE: - Unità Oculistica USL 4 Prato - Clinica Oculistica, Univ. Firenze - Bascom Palmer Eye Institute, Miami, USA - Policlinico Gemelli, Roma.°° CON I PARTNER DEL PROGETTO FIRB-MIUR "Smart Reflex" - Centro Ricerche Fiat - ITIA-CNR - Dip. Meccanica, Univ. Genova - Dip. Ingegneria Industriale, Univ. Catania CON I PARTNER DELLA RETE della Regione Toscana "OMNIA" - El.En. S.p.A. - Dip. Fisiopatologia Clinica, Univ. Firenze - DE&T (Dip. Elettronica e Telecomunicazioni), Univ. Firenze - ARS srl, Arezzo - ScanSystem srl, Navacchio (PI) - Microgeo srl (FI) - ACTIS srl (FI) CON I PARTNER DEL PROGETTO VIRTUAL ENTERPRISE "PILOPT": - Molteni Farmaceutici spa, Scandicci (FI) - CSO (Costruzione Strumenti Oftalmici) srl, Scandicci (FI) - Histocenter, S.Giuliano Terme (PI) - Tikappa Consultant srl, Firenze - Develer Informatica, Campi B. (FI) CON I PARTNER DELLA RETE EU Network of Excellence "Photonics4Life" (proposta)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate La ricerca di nuove fonti di finanziamento sarà perseguita partecipando a progetti di ricerca - proposti autonomamente e/o sviluppati congiuntamente con industrie, università ed enti di ricerca – che saranno proposti a vari livelli: 1) Progetti in ambito europeo: nuovi bandi del 7PQ, Action COST ("Inorganic colorants and pigments"), bilaterale CNR-CSIC/Spagna. 2) Programmi nazionali: PII-EE INDUSTRIA 2015 = a) LATERES (Laterizi Avanzati e Tecnologie Edililizie per il Risparmio Energetico e la Sostenibilità); b) SOLARIS (SOLAR cells based Innovative Systems). 3) progetti regionali: PRRIITT Emilia-Romagna = a) Sviluppo, messa a punto e verifica sperimentale di metodologie innovative e modelli di calcolo per la qualificazione energetica di componenti per l’edilizia (proponente: Certimac Faenza); b) Co-deposizione di particelle nanostrutturate mediante tecnologie di deposizione da vapori in alto vuoto (proponente: Euroglass Rubiera. 4) progetti di R&S finanziati autonomamente da industrie.


Finalità

Obiettivi • Sviluppare ricerca applicata ed innovazione nei campi delle tecnologie dei sistemi laser, dei processi di

produzione a mezzo laser e delle sensoristiche optoelettroniche di interesse industriale. • Sviluppare dispostivi e metodologie basati su laser e nanotecnologie di interesse biomedicale e validarle in

applicazioni medico-chirurgiche precliniche e cliniche. • Costituire gruppi di lavoro, reti e centri di competenze pubblico-privati che recepiscano la domanda di

innovazione nei campi sopra citati, perseguano obiettivi realizzativi di breve-medio termine e realizzino, in tempi altrettanto brevi, il trasferimento dell’innovazione per l’ingegnerizzazione e la produzione industriale.


Potenziale impiego - per processi produttivi Sviluppo di tecnologie di sistemi laser industriali e biomedicali, delle micro e macro lavorazioni laser e della sensoristica di processo - per risposte a bisogni individuali e collettivi • Supporto alle imprese che sviluppano e/o impiegano tecnologie laser tramite la ricerca applicata ed il

trasferimento tecnologico di nuova strumentazione di impiego in campo industriale e biomedicale. Tale azione si esplica per mezzo di progetti comuni, commesse di ricerca e attività di rete.

• Sviluppo di tecnologie laser biomedicali volte al miglioramanto della qualità della vita dei pazienti e alla riduzione dei costi di ospedalizzazione

• Formazione di personale tecnico specialistico tramite docenze universitarie e post-universitarie, tesi di laurea, dottorati e assegni di ricerca.

Moduli

Modulo: Tecnologie e processi laser nel manufacturing Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sostenibilità, valorizzazione e gestione degli ecosistemi terrestri, produttivi e naturali

Dati generali

Progetto: Sostenibilità dei sistemi ambientali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Terra e Ambiente Responsabile indicato: STEFANO BERTI Temi

Tematiche di ricerca L'attività è suddivisa in 4 moduli. Nel primo modulo viene monitorato il bilancio idrico, quali-quantitativo, in popolamenti forestali. Viene inoltre effettuata la caratterizzazione della copertura forestale e valutata la perdita di suolo, attraverso la tecnica fingerprinting. Nel secondo modulo, l'attività è basata su una ricerca multidisciplinare, svolta in laboratorio e in campi sperimentali, che interviene nel settore della genetica per l'analisi e la caratterizzazione di biorisorse adatte allo sviluppo sostenibile del territorio. Il terzo modulo si occupa della situazione fitosanitaria di colture arboree tradizionali della Barbagia di Belvì: nocciolo, noce e ciliegio. Sono inoltre portate bavanti determinazioni di laboratorio relative alle indagini faunistiche. L'attività del quarto modulo interessa l'intera "filiera - legno" ed è imperniata nell'esigenza di coniugare una corretta gestione delle risorse ambientali con le richieste delle imprese private. Sono interessati vari settori: dai lavori in foresta, alla caratterizzazione dei legnami, alla produzione di manufatti, alla valutazione di prodotti accessori.

Stato dell'arte Nell'ottica di una visione globale delle risorse naturali (suolo-acqua-vegetazione, fauna) si rende necessario un approccio integrato che miri a valorizzare le potenzialità degli ecosistemi. La commessa si inserisce in un contesto che vede un progressivo depauperamento della risorsa suolo insieme ad una diminuita disponibilità di acqua sia per usi urbani, che agricoli ed industriali, oltre alla necessità di conservare e valorizzare i sistemi agroforestali. Le formazioni arboree fanno parte di un sistema articolato che interviene sulla regimazione dei deflussi e, più in generale, sulla conservazione del suolo, ma anche, se correttamente gestito, consente di ottenere prodotti di qualità, diversificare le produzioni, restaurare ambienti degradati, contrastare l'inquinamento, favorire la produzione e l'impiego di biomasse a fini energetici/industriali, sviluppare le attività rurali e il turismo in maniera sostenibile.


Azioni

Attività da svolgere Modulo TA.P04.008.001 IBAF: Sviluppo e applicazione di marcatori molecolari funzionali correlati a stress biotici e abiotici in piante di interesse agroforestale. Analisi SSR delle provenienze di Noce Euroasiatiche e creazione di un database. Modulo TA.P04.008.002 IVALSA: Attività 1: Caratterizzazione su base annuale dell'attività del cambio tramite indagini anatomiche e biochimiche in pioppo, validazione della dinamica stagionale di crescita radiale in diverse provenienze di olivo, classificazione dei geni nella zona cambiale in risposta allo stress idrico. Attività 2: nel corso del 2009 si prevede di continuare a svolgere le attività di ricerca sui cantieri di raccolta, in base ai progetti acquisiti o in fase di acquisizione. Attualmente è stato avviato il progetto SOFIE 2, e a breve dovrebbero essere firmati altri progetti per finanziare l'attività di ricerca sull'impostazione, gestione e analisi tecnico-economica di cantieri di utilizzazione di biomasse forestali. Attività 3: continuazione del lavoro di classificazione del legname italiano per usi strutturali. I profili resistenti così determinati potranno permettere la revisione dell'attuale normativa tecnica come richiesto anche a livello internazionale, come pure la progettazione e realizzazione di ulteriori prototipi di edifici in grado di dimostrare la possibilità di costruire un sistema di gestione sostenibile delle ridorse basato su filiere corte. Attività 4: sviluppo di un progetto per la realizzazione di nuovi profili per infissi, con prestazioni energetiche migliorate, in modo da poter utilizzare prevalentemente specie legnose locali. La costruzione dei prototipi, le cui caratteristiche saranno preventivamente verificate a livello di laboratorio, sarà realizzata direttamente nell'industria partner del progetto. Attività 5: sarà continuata l'attività riguardante la formulazione di prodotti a basso impatto ambientale su base vinilica, si tenterà di proporre alcuni meccanismi di interazione tra gli estrattivi del legno che potenzialmente interagiscono con la linea di colla, colorandola, e verrà analizzato l'uso di radiofrequenze per l'incollaggio. Attività 6: sarà messa a punto un metodo per la valutazione della durabilità naturale di varie specie legnose mediante densitometria a raggi X. Attività 7: saranno verificate le metodologie di analisi multidisciplinare su legno archeologico e di diagnosi non distruttive su manufatti lignei appartenenti al Patrimonio culturale. Sarà inoltre approntato un protocollo di analisi per la valutazione delle metodologie di consolidamento del legno degradato. Modulo TA.P04.008.003 ISAFOM: è prevista l'analisi statistica dei dati raccolti, si continueranno i controlli nei diversi siti sperimentali. Se verrà finalmente finanziata la ricerca a tema libero, ormai da tre anni definita finanziabile, si procederà alla creazione del laboratorio Radiometrico; per il momento sono in fase di acquisizione i locali da adibire a tale laboratorio. Nel mese di giugno verranno presentati 2 lavori al 33rd IAHR CONGRESS Co-located with the 19th CANADIAN HYDROTECHNCIAL CONFERENCE and Co-sponsored by the Canadian Society for Civil Engineering. Altri lavori da sottoporre a riviste a livello internazionale sono in fase di preparazione. Modulo TA.P04.008.004 ISE: studio della situazione fitosanitaria del castagno in Provincia di Nuoro in seguito all'introduzione del Cinipide del Castagno; impiego dei formicidi quali indicatori biologici in aree degradate; studi sull'entomofauna dannosa in viticoltura. Saranno inoltre svolte attività di divulgazione e ricerche di base inserite prevalentemente in progetti di collaborazione bilaterale con paesi terzi.

Punti critici e azioni da svolgere Le numerose attività di ricerca e sperimentazione inserite nei moduli afferenti ala commessa sono rese possibili grazie al lavoro di personale a contratto che grava su fondi di ricerca raccolti all'esterno del CNR. Evidenziandosi sempre più la difficoltà di reperimento di tali fondi, e ritenendo fondamentale il mantenimento di queste attività, si rende indispensabile quanto prima l'inserimento di personale mediante idonei concorsi. Le ricerche sugli interventi di valorizzazione e di gestione del territorio, così importanti per una necessaria sostenibilità degli ecositemi terrestri, sono sempre state oggetto dell'attività dei 4 istituti coinvolti nei moduli della commessa e, per questo, gli investimenti in personale fatti nel passato costituiscono un patrimonio sicuramente da potenziare. Inoltre, si evidenziano la necessità di un aggiornamento delle apparecchiature e/o l'acquisto di nuove strumentazioni; tali esigenze non possono essere fronteggiate con le attuali disponibilità. Sarebbe auspicabile quindi la messa a disposizione di appositi finanziamenti e l'attivazione dei relativi capitoli di spesa.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine .

Strumentazione .

Tecniche di indagine .


Tecnologie .

Collaborazioni (partner e committenti) Istituti CNR: IVALSA, ISAFOM, IBAF; Istituti CRA: (ex ISP, ISS, ISAFA); Università di Padova, di Firenze, di Viterbo, di Palermo, di Torino; Istituti esteri: INRA, CIRAD, HSB, WSL MIPAF Enti Locali: ARSIA, PAT

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Pur nella considerazione della ridotta possibilità di procedere ad una rigorosa programmazione delle ricerche perchè vincolati alle esigenze estemporanee di fondi, a tutto discapito anche di una adeguata ricerca fondamentale, tutte le possibili fonti di finanziamento saranno testate. Ulteriori possibilità di finanziamento potrebbero essere individuate nell'ambito di appositi fondi regionali, soprattutto per quanto riguarda le problematiche fitosanitarie e di funzionalità dei corsi d'acqua, come pure per la realizzazione e gestione di impianti di arboricoltura da legno e per la produzione di biomassa. Per quanto riguarda l'attività più prossima agli aspetti produttivi, sarà proseguito il supporto alle aziende del settore legno-arredo anche nell'ottica del loro coinvolgimento in consorzi di ricerca da presentare nell'ambito del settimo programma quadro promosso dalla UE. In questa ottica sarà intensificata l'attività di ricerca e sviluppo sui prodotti per il legno (adesivi, preservanti, vernici), in collaborazione con soggetti industriali, tenuto conto dell' elevato impatto ambientale rappresentato dalla produzione, dall'applicazione e dallo smaltimento di tali prodotti. Una iniziativa fondamentale sarà quella di intensificare l'informazione sulla Forest-Based Sector Technology Platform, strumento di programmazione della ricerca, con una visione di medio-lungo periodo, voluto dall'Unione Europea nel tentativo di coinvolgere maggiormente il mondo industriale nelle attività di ricerca e sviluppo.

Finalità

Obiettivi 1.Contribuire ad una migliore conoscenza dei fattori che influenzano il bilancio idrologico in ambiente forestale montano. 2.Valutazione qualitativa delle acque di deflusso dal punto di vista : organolettico, fisico, batteriologico e chimico. 3.Valutazione della perdita di suolo indipendentemente dalla presenza di apparati di misura. 4.Monitoraggio e quantificazione di risorse genetiche naturali valorizzabili. 5.Controllo della biodiversità. 6.Diversificazione colturale dei sistemi agroforestali e valutazione delle funzionalità (interazioni fra sistemi colturali). 7.Mitigazione ambientale (assorbimento CO2, fitodepurazione,ecc.). 8.Miglioramento qualitativo della produzione legnosa in foresta ed in impianti di arboricoltura. 9.Caratterizzazione tecnologica del legname. 10.Sviluppo di tecnologie innovative per l'utilizzazione industriale del legno incluse raccolta ed utilizzo delle biomasse. 11.Messa a punto di prodotti e processi relativi alla filiera legno a basso impatto ambientale. 12.Valorizzazione e tutela dell'ambiente agro ' forestale e sviluppo di attività collaterali (artigianato, turismo,PMI..)


Risultati attesi nell'anno Modulo TA.P04.008.001 IBAF: analisi della variabilità genetica inter ed intra specifica di germoplasma di noce(J. nigra e J. regia); Studio dei parentali ibridogeni con marcatori molecolari, morfologici e ecofisiologici appositamente sviluppati ed ottimizzati per le due specie parentali J. regia e J. nigra e per gli ibridi. Selezione di parentali da incrociare; raccolta e conservazione di polline J. regia; metodi di castrazione dei fiori maschili e isolamento dei fiori femminili di J.nigra; esecuzione impollinazioni controllate. Analisi di sequenza di eventuali frammenti NBS profiling in piante resistenti/suscettibili a stress biotici. Modulo TA.P04.008.002 IVALSA: Attività 1: acquisizione di nuove conoscenze sulla dinamica della crescita secondaria in pioppo e in olivo ed individuazione dei principali geni coinvolti nella risposta allo stress idrico nel cambio. Attività 2: esplorazione dell'interfaccia tra selvicoltura e meccanizzazione per guidare il necessario compromesso tra esigenze economiche e istanze naturalistiche. Attività 3: ottenimento di profili resistenti di due specie legnose, castagno e pino laricio di provenienza italiana e realizzazione di un edificio con strutture di legno locale. Attività 4: realizzazione e caratterizzazione di profili per infissi, ad elevata efficienza energetica, con legname di latifoglie proveniente da formazioni forestali locali. Attività 5: interpretazione dei meccanismi di interazione tra alcuni estrattivi e le formulazioni viniliche commerciali, e di ottimizzare l'uso delle radiofrequenze, attraverso l'effetto dei parametri operativi sull'incollaggiodefinizione dei parametri che governano l'incollaggio del legno, sia nel breve che nel lungo periodo. Attività 6: valutazione dei risultati derivanti dalle sperimentazioni in campo al fine di individuare il migliore sistema di preservazione del legname. Attività 7: implementazione della metodologia per la classificazioone del degrado di legno archeologico e della metodologia di analisi sulle fondazioni lignee. Implementazione del database ARISSTART su statue lignee italiane. Modulo TA.P04.008.003 ISAFOM: per il 2009 è prevista l'analisi statistica dei dati raccolti, si continueranno i controlli nei diversi siti sperimentali.Se verrà finalmente finanziata la ricerca a tema libero, ormai da tre anni definita finanziabile si procederà alla creazione del laboratorio Radiometrico , per il momento sono in fase di acquisizione i locali da adibire a laboratorio. nel mese di giugno verranno presentati 2 lavori al 33rd IAHR CONGRESS Co-located with the 19th CANADIAN HYDROTECHNCIAL CONFERENCE and Co-sponsored by the Canadian Society for Civil Engineering. Altri lavori da sottoporre a riviste a livello internazionale sono in fase di preparazione. Modulo TA.P04.008.004 ISE: valutazione della diffusione nel territorio regionale del Cinipide del Castagno e applicazione di strategie di controllo mediante la liberazione di antagonisti specifici. Porre le basi per sviluppare un protocollo di monitoraggio ambientale attraverso le comunità di formicidi. Sviluppare ricerche per il controllo dei parassiti della vite.

Potenziale impiego - per processi produttivi - identificazione di ecotipi di piante da legno pregiato (J. regia L.) adattati a vivere a condizioni ambientali difficili da utilizzarsi come eventuali boschi da seme - identificazione di un bosco da seme composto da piante madri ibridogene J. nigra L, ibridi naturali J. nigra X J. regia L e padri putativi J. regia L, da cui ottenere piante da legno pregiato a rapida crescita (20 anni piuttosto che 50/60 anni) - organizzazione e raccolta della biomassa forestale con impiego di attrezzature industriali specializzate; - produzione di legname di qualità in impianti di arboricoltura da legno; - produzione di prodotti per legno a basso impatto ambientale. - per risposte a bisogni individuali e collettivi - definire misure appropriate per una gestione forestale sostenibile, funzionale al miglioramento della stabilità ecologica degli ecosistemi forestali - progettare ed effettuare le strategie più efficaci di difesa dai fenomeni erosivi e ripristino dei danni - certificare l'origine e la qualità di piante da legno pregiato destinate ad impianti di riforestazione - rendere sostenibili i sistemi agroforestali per la produzione di legno pregiato e produzioni alternative in aree svantaggiate - incrementare la produzione di materie prime rinnovabili nel rispetto degli accordi internazionali in materia di controlli ambientali; - ridurre la produzione di formulati con elevato grado di tossicità sia in fase di applicazione, che per l'utilizzatore finale; - promuovere l'utilizzo di prodotti ad emissioni nulle; - rendere sostenibile economicamente per i proprietari pubblici e privati, la produzione di biomasse forestali


Moduli

Modulo: Agroselvicoltura e produzione di biomassa Istituto esecutore: Istituto di biologia agro-ambientale e forestale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Valorizzazione del legno BERTI Istituto esecutore: Istituto per la valorizzazione del legno e delle specie arboree Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Conservazione e gestione delle risorse idriche, del patrimonio vegetale e del suolo.

Istituto esecutore: Istituto per i sistemi agricoli e forestali del mediterraneo Luogo di svolgimento attività: Sede di Cosenza

Modulo: Controllo biologico ed Ecologia applicata Istituto esecutore: Istituto per lo studio degli ecosistemi Luogo di svolgimento attività: Sassari


Sviluppo ed integrazione di tecnologie attive e passive per il sondaggio dell'atmosfera Dati generali

Progetto: Osservazione della Terra Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di fisica applicata "Nello Carrara" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Terra e Ambiente Responsabile indicato: LUCA PALCHETTI Temi

Tematiche di ricerca Realizzazione di strumenti innovativi operanti dal suolo, da aereo e da satellite. Affinamento dei modelli di interazione della radiazione con il mezzo osservato e di trasferimento radiativo (modelli diretti) e degli algoritmi inversi per l'estrazione dei parametri geofisici dalle osservazioni di radianza. Organizzazione/partecipazione a campagne di misura. Integrazione di dati dal suolo, aereo e satellite per attività di controllo di qualità (calibrazione degli strumenti e validazione dei prodotti).

Stato dell'arte La commessa è coerente con i tre obiettivi del progetto "Osservazioni della Terra" (OT) in quanto si propone di sviluppare tecnologie innovative di OT operanti da diverse piattaforme (suolo, aereo, pallone e satellite), sviluppare tecniche e metodi del sistema infrastrutturale, offrire al sistema industriale opportunità d'innovazione tecnologica e favorire la creazione della filiera ricerca-imprese-utenti finali.


Azioni

Attività da svolgere Continuerà il supporto ad ESA per l'implementazione nel codice operativo di livello 2 MIPAS-ENVISAT. In particolare si implementerà nel codice scientifico ORM la regolarizzazione di Tikhonov variabile per la smoothing dei profili verticali di temperature e VMR. Sono previsti i seguenti studi: regolarizzazione 2D, con la quale si vuole ottenere un modello dell'atmosfera più stabile; studio di un nuovo modo per rappresentare e utilizzare il profilo atmosferico verticale ricavato in una base ortonormale dello spazio di misura per applicazioni di data assimilation; studio dell'impatto dei gradienti orizzontali; conclusione del lavoro sulla CO2 e il rapporto isotopico; ricostruzione dei parametri chimico fisici delle nubi dagli spettri IR a larga banda. Più in generale si studierà l'applicazione della differenziazione di domini per la elaborazione di algoritmi regolarizzati per la soluzione di problemi inversi. Nei mesi di gennaio-febbraio 2009, dovranno essere condotte a termine le attività della Fase 1 del progetto KLIMA-IASI. A seguito della approvazione della Fase 2 da parte di ESA, l'attività del progetto sarà dedicata all'integrazione del codice sulla piattaforma G-POD e alla validazione delle misure delle missioni OCO e GOSAT. Sarà concluso il progetto CAMELOT con lo studio del retrieval di vapore acqueo in condizioni di copertura nuvolosa e contribuendo alla creazione di un database per la realizzazione di Lookup Tables relative all'accuratezza e alla precisione dei prodotti (profili e colonne di O3, HNO3, CH4, N2O, H2O, etc.). Si prevede la partecipazione dello strumento REFIR-PAD alla campagna di misura RHUBC-II organizzata in Cile a più di 5000 m di quota nell'ambito del programma americano ARM. Lo strumento sarà installato all'interno della ARM Mobile Facility ed eseguirà misure di OLR per lo studio del rate di riscaldamento radiativo dell'atmosfera nelle bande spettrali del FIR, tuttora inesplorate da Terra. L'attività sul LIDAR continuerà intorno alle diverse tematiche riassunte di seguito. Gestione della strumentazione per applicazioni nella misura delle polveri sottili nell'ambito del progetto ICT-ONE della Regione Toscana; supporto alle misure presso la base Concordia (Antartide) e per lo sviluppo di software per l'elaborazione dei dati nell'ambito del progetto Clima. È previsto anche il completamento del prototipo IFAC di un mini-LIDAR portatile. Partecipazione alla rete Europea EARLINET per lo studio degli aerosol troposferici. Coordinamento IMAA del progetto EU "European Aerosol Research Lidar Network: Advanced Sustainable Observation System" (EARLINET-ASOS, FP6-2004-Infrastructure-5) con la partecipazione di 21 istituzioni europee. Organizzazione e partecipazione a campagne di misura di intercomparison con altre stazioni della rete EARLINET. Validazione di modelli di trasporto per le polveri desertiche, la partecipazione al progetto europeo GEOMON (Global Earth Observation and Monitoring). Realizzazione di misure LIDAR in corrispondenza degli overpass di CALIPSO e studio delle correlazioni tra misure al suolo rispetto e misure satellitari nell'ambito dei progetti ESA-CALIPSO e ESA VALID (VALID: Multi-Mission Quality Analysis by LIDAR). Sarà eseguita l'integrazione finale di OLIMPO su pallone stratosferico e la campagna di lancio alle Svalbard. È prevista anche la continuazione dell'integrazione parziale di BOOMERANG. Saranno costruiti spettrometri di tipo Cavity Ring Down da utilizzare in laboratorio per misure di atmosfere simulate e da piattaforme aeree. In relazione alla missione Cassini su Saturno/Titano sono previste le seguenti attività: stima delle concentrazioni di HCN e CH4 e delle loro temperature vibrazionali nella termosfera di Titano (500-1200 km) confrontando le radianze misurate al limbo con simulazioni di emissione in non-LTE nell'intervallo spettrale 2.9-3.5 um; stima della variazione di composizione chimica tra la zona interna e quella esterna negli hot spot di Saturno; inizio misure di spettri di CH4 e CO2 in condizioni planetarie tramite dispositivo a cavity ring down. In relazione alla missione Juno su Giove sono previste le simulazioni delle osservazioni spettroscopiche in presenza di diverse composizioni chimiche dell'atmosfera gioviana e di profili verticali di mixing ratio variabile, in vista dell'utilizzo della camera iperspettrale JIRAM. Nell'ambito della collaborazione con il CERM dell'Università di Firenze continueranno gli studi su metodi matematici per l'inversione di dati NMR. In particolare nel 2009 si cercherà di estendere l'algoritmo di ricostruzione, che funziona per il momento solo con dati RDC, anche al caso di dati PCS, affrontando il trattamento della non linearità introdotta da quest'ultimo tipo di constrains. Continueranno le attività relative allo sviluppo di metodi ed algoritmi per la misura del TEC ionosferico.

Punti critici e azioni da svolgere Per quanto riguarda la risoluzione dei problemi di inversione nell'analisi dei dati spettroscopici satellitari, si è identificato un nuovo metodo che utilizza lo spazio delle funzioni misura. Un'azione da svolgere sarà quindi quella di


identificare i vantaggi reali di questo metodo allo scopo di definire un nuovo standard per la distribuzione dei profili ricavati nei prodotti forniti da strumentazione ESA. Sono previsti anche lo studio della stabilizzazione del modello atmosferico per mezzo di regolarizzazione 2D e l'implementazione di un programma per ricostruire anomalie nascoste con metodi termografici da dati di laboratorio. Per quanto riguarda la misura spettrale della radiazione emessa dall'atmosfera per lo studio del bilancio radiativo terrestre, la commessa con lo sviluppo dello spettrometro REFIR-PAD e con le campagne eseguite da pallone stratosferico (Teresina, 2005) e da alta quota (CNR-Testa Grigia-3500m, 2007) ha raggiunto un elevato grado di esperienza riconosciuta anche a livello internazionale. Riconoscimento di questo e stato l'invito a partecipare alla prossima campagna americana RHUBC-II organizzata in Cile a più di 5000 m di quota nell'ambito del programma ARM. Un'azione da svolgere sarà quindi quella di far maturare ulteriormente questa attività attraverso la formazione di nuove collaborazioni internazionali ed industriali allo scopo di identificare gli interessi di ESA o ASI per la realizzazione di una missione satellitare operativa dedicata a questo tipo di problematiche. Infine per quanto riguarda l'aspetto finanziario e del personale si fa presente che la frammentarietà dei finanziamenti in particolare per le attività sperimentali e per il mantenimento del personale impegnato è molto spesso di ostacolo ad un costante svolgimento dell'attività di ricerca. È auspicabile che le attività consolidate da anni, che hanno raggiunto un elevato grado di competenza, ed il mantenimento delle infrastrutture scientifiche di rilevanza internazionale possano essere supportate anche da finanziamenti ordinari e da una politica costante di assunzione in ruolo di nuovo personale, almeno in sostituzione del personale andato in pensione. La presenza ed il mantenimento delle attuali infrastrutture a livelli di eccellenza consentirà ai gruppi di ricerca della commessa di partecipare ai programmi di ricerca internazionali con ruoli e contributi significativi.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Competenze nella costruzione di strumentazione ottica, nella modellistica spettroscopica, trasferimento radiativo, scattering di nubi e aerosol e fenomeni di trasporto. Progettazione di spettrometri a traformata di Fourier (interferometri) nel medio e lontano IR ed utilizzo in laboratorio e in campagne di misura da terra e da pittaforme areotrasportate: palloni stratosferici e aereo stratosferico M55. Progettazione LIDAR a backscattering elastico e Raman ed utilizzo sul campo. Sviluppo e applicazione di nuovi algoritmi di analisi da usare con misure LIDAR e con spettrometri che misurano l'emissione atmosferica al lembo e al nadir. Questi algoritmi fanno uso di modelli sofisticati per la soluzione del radiative transfer anche in presenza di condizioni di non-LTE e scattering dovuto a nubi ed aerosols. Sviluppo di codici numerici per l'inversiome di misure remote da satellite ENVISAT. Analisi di immagini iperspettrali ad alta risoluzione nel range 0.3’5.0um. Sviluppo di sistemi di puntamento per il controllo in azimuth di gondole stratosferiche. Morfologia della ionosfera e fenomeni collegati: sviluppo di ricevitori satellitari e trattamento dei relativi dati di Doppler Differenziale

Strumentazione Spettrometri a trasformata di Fourier: HFIR-FTS (lontano IR, alta risoluzione spettrale), SAFIRE-A (lontano IR, alta risoluzione), REFIR-PAD (medio-lontano IR, media risoluzione) Camera climatica per il controllo di temperatura e umidità per prove ambientali. LIDAR telemetrico e Optical Particle Sizer (OPS). Codici numerici per la simulazione dell'emissione a scattering atmosferico e per l'estrazione di parametri geofisici dalle misure indirette. LIDAR per la misura del rapporto estinzione/backscatter. Spettrometri DOAS, interferometri, e spettrometri Cavity Ring Down (CRD) per la misura di spettri di assorbimento.

Tecniche di indagine Tecniche di sondaggio ottico per la misura di parametri atmosferici d'interesse in campo climatologico, meteorologico, ambientale (LIDAR, DOAS, spettrometri IR, interferometri, spettrometri CRD). In particolare: spettroscopia nel medio e lontano IR dell'atmosfera per l'analisi chimica (alta risoluzione spettrale) e del bilancio radiativo (media risoluzione). Calcolo del trasferimento radiativo per la simulazione dell'emissione atmosferica e l'inversione dei dati per la stima dei parametri geofisici. Tecniche LIDAR per il profiling vericale di proprietà ottiche del particolato e di aerosol troposferici. Studio di fenomeni di trasporto attraverso l'integrazione di dati lidar e di modelli. Analisi di particolari casi studio per l'ottimizzazione del retrieval dei dati satellitari di CALIPSO e per lo studio della rappresentatività spaziale e temporale di misure lidar di aerosol e nubi dal suolo rispetto alle misure satellitari di CALIPSO. Analisi dei segnali GPS per la misura del TEC della ionosfera.


Tecnologie Sviluppo di sorgenti termiche di riferimento e interferometri laser per strumentazione FTS. Sviluppo optomeccanico di interferometri e sistemi LIDAR. Sviluppo di elettronica ottimizzata per strumentazione operante sotto vuoto e a bassissima pressione (palloni stratosferici) per il controllo di processo e l'acquisizione dei segnali. Sviluppo di metodi e algoritmi per la soluzione dell'equazione del bilancio radiativo ed il retrieval della concentrazione delle specie molecolari di interesse per la fisica dell'atmosfera. Sviluppo di tecniche di sondaggio ottico per la misura di parametri atmosferici d'interesse in campo climatologico, meteorologico, ambientale (LIDAR a backscattering, LIDAR Raman, DOAS, spettrometri CRD). Sviluppo di metodi e algoritmi per lo studio di fenomenti di scattering da particolato e nubi. Sviluppo di ricevitori GPS per la misura del TEC della ionosfera.

Collaborazioni (partner e committenti) Esiste una forte interazione di questa commessa, con commesse dei Dipartimenti "DMD" ed "ICT" dove si svolgono attività complementari nel campo di nuovi dispositivi ottici da una parte e sviluppo di analisi numeriche dall'altra. La commessa opera in collaborazione con altri enti di ricerca ed università sia nazionali che internazionali, e con altre commessi di altri diparimenti Dip. M&D e ICT). In particolare si ricordano le agenzie spaziali ASI, ESA, DLR (Germania) e NASA, il PNRA, Dip. di Fisica e di Chimica-Fisica dell'Univ. di Bologna, Dip. di Ingegneria della Informazione: Elettronica, Informatica,Telecomunicazioni - Univ. di Pisa, Univ. di Firenze Matematica, Agraria (CERM), Univ. di Udine - Matematica e Informatica, Univ. di Lecce ‘ Dip. di Fisica, Univ. de L'Aquila-Dip. di Fisica-CETEMPS, Univ. di Salerno-Dip. Scienze Fisiche, Università di Roma 1 "Sapienza". GLi Istituti italiani INGV Roma, IFSI e IASF (INAF), JRC Ispra, INFM. All'estero si ricordano l'Univ. di Grenoble (FR), Univ. di Groningen (NL), Dip. Fisica-Imperial College (Londra), AOPP-Univ. di Oxford, CAO Dolgoprudny (Mosca), Univ. of Leicester (UK), Univ. of Leeds (UK), Dep. of Physical Sciences, Univ. of Helsinki (Fi), Obervatoire de l'Université Bordeaux CNRS/INSU (France), IAA-CSIC (Spagna), IMK (Germania), LPMAA (Francia), ECMWF-Readings (UK). Texas A&M Univ. (USA), Joint Center for Earth Systems Technology’Maryland, USA.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate In generale la commessa intende promuovere progetti di ricerca e collaborazioni per accedere a finanziamenti esterni, sia svolgendo attività per imprese (tramite contratti di ricerca) sia partecipando a bandi nazionali e internazionali. In particolare si prevedono le seguenti attività. Presentazione di proposte ad ESA in risposta alla open call 'The changing earth science network' nell'ambito del programma 'Support to Science Element' (STSE) per le seguenti tematiche: - studio con misure reali dei vantaggi della rappresentazione del profilo ricavato nello spazio delle funzioni misura allo scopo di identificare lo standard per la distribuzione dei profili ricavati nei prodotti forniti da strumentazione ESA; - utilizzo di strumentazione FTS a larga banda tipo REFIR-PAD per il monitoraggio dell'Earth Radiation Budget. Richiesta di cofinanziamento per lo spettrometro REFIR-PAD, invitato a partecipare alla prossima campagna americana RHUBC-II organizzata in Cile a più di 5000 m di quota dal 1 agosto al 31 ottobre 2009 nell'ambito del programma ARM. REFIR-PAD sarà integrato nella ARM Mobile Facility e trasportato dagli USA al Cile a spese del programma americano. Sarebbe opportuno avere un cofinanziamento allo scopo di consentire una partecipazione del gruppo italiano al progetto più significativa in termini di tempo di missione e risorse umane. Consolidazione del progetto STRATOBUS (se finanziato da ASI) che annovera un consorzio di PMI, maestranze IFAC-CNR ed UniFi. È previsto uno Workshop di ESA in Germania per presentare ed allargare il consorzio a partners europei. IL Progetto è ambizioso perchè punta ad instaurare voli "di linea" regolarmente programmati ed a disposizione, attraverso un sito web, di un'utenza globale. Il progetto conta sulla riutilizzazione della maggior parte delle strutture meccaniche ed elettroniche per abbassare i costi della singola missione compreso l'utilizzo di fonti rinnovabili protette dai rischi dell'atterraggio. Ufficializzazione della collaborazione ISAC-INAF per i progetti Cassini, VenusExpress e Juno attraverso il decreto di associatura n. 100/05 ratificato dal Presidente Prof. P. Benvenuti il 7 novembre 2005.


Finalità

Obiettivi Obiettivo della commessa è lo sviluppo delle metodologie per la misura ed il monitoraggio dello stato chimico e fisico dell'atmosfera. Le misure sono motivate dalle problematiche di chimica dell'atmosfera, di qualità dell'aria, di meteorologia e di climatologia. La dimensione globale dei problemi coinvolti impone spesso una copertura globale delle osservazioni alimentando la domanda per strumenti operanti dallo spazio e per metodi di misura indiretti. L'obiettivo generale è perseguito attraverso il miglioramento degli strumenti che effettuano le misure, lo sviluppo di opportune "piattaforme" da dove questi strumenti possono operare, l'acquisizione di una migliore conoscenza dei processi dell'osservazione (modelli di interazione della radiazione con il mezzo osservato e di trasferimento radiativo), l'ottimizzazione delle geometrie e delle modalità di osservazione in funzione dei requisiti di misura, la messa a punto di efficienti algoritmi d'inversione per l'estrazione dei parametri geofisici dalle misure di radianza, il miglioramento delle procedure di calibrazione degli strumenti e la validazione dei modelli e dei prodotti.


Risultati attesi nell'anno I risultati attesi nella commessa si possono riassumere nei seguenti punti. Programma per la ricostruzione numerica di anomalie inaccessibili da dati di tipo remote sensing. I risultati finali della Fase 1 di KLIMA-IASI dovranno essere presentati ad ESA in occasione del Final Meeting previsto per il 20 febbraio 2009. La lista delle deliverables prevista da contratto per IFAC-CNR include: la consegna della versione finale del codice KLIMA-IASI, del "Sensitivity Assessment Report" e di una proposta per l'integrazione del codice sul sistema ESA G-POD (Grid Processing On-Demand). Le misure di MIPAS sono state usate per studiare un nuovo modo per rappresentare e utilizzare il profilo atmosferico verticale ricavato in una base ortonormale dello spazio di misura (S. Ceccherini, P. Raspollini and B. Carli,'Optimal use of the information provided by in direct measurements of atmospheric vertical profiles', submitted to Optics Express). Questo metodo permetterà l'utilizzazione ottimale delle misure nella data assimilation e in applicazioni di data fusion in quanto non viene introdotto alcun tipo di informazione a-priori. Per quanto riguarda l'attività con lo strumento REFIR-PAD, si prevede la raccolta ed analisi dati delle misure di OLR della campagna cilena RHUBC-II. Le misure che saranno effettuate in regione tropicale si affiancheranno a quelle già eseguite alle medie latitudini dalla stazione CNR di Testa Grigia (Cervinia) nel 2007. Nel loro complesso questo insieme di dati risulta di grande importanze scientifica dato che hanno coperto per la prima volta con misure a larga banda la regione spettrale del lontano IR al di sotto di 400 cm-1, molto importante per lo studio del raffreddamento radiativo dell'alta troposfera e per lo studio del contributo dei cirri al bilancio radiativo terrestre. Per quanto riguarda l'attività sul LIDAR svolta presso IFAC, si prevedono i seguenti risultati: realizzazione completa ed test di un mini-LIDAR portatile; svolgimento della campagna di misure 2008-2009 presso la base Concordia (Dome-C, Antartide) e monitoraggio di polveri sottili e nubi presso la stazione IFAC. Per quanto riguarda l'attività sul LIDAR svolta presso IMAA, si prevedono i seguenti risultati: profiling di proprietà ottiche di aerosol troposferici mediante tecniche lidar; profiling delle proprietà microfisiche degli aerosol a scala Europea a partire da dati lidar del rapporto estinzione/backscatter a due lunghezze d'onda; ottimizzazione del data processing per misure lidar con particolare riguardo alle problematiche di pre-processing; integrazione dati lidar dal suolo (EARLINET) con dati satellitari (TOMS, MODIS) per caratterizzare aerosol di origine sahariana; integrazione di tecniche ottiche attive e passive (EARLINET/AERONET) per la caratterizzazione degli aerosol; studio di fenomeni di trasporto attraverso l'integrazione di dati lidar e di modelli. Intercomparison tra i sistemi lidar di riferimento della rete EARLINET; studio della rappresentatività spaziale e temporale di misure lidar di aerosol e nubi dal suolo rispetto alle misure satellitari di CALIPSO. Per l'attività IFAC di sviluppo di piattaforme stratosferiche si prevede il lancio dell'esperimento OLIMPO. Per le attività di osservazione dell'atmosfera svolte presso ISAC si prevedono i seguenti risultati: variazione in altezza del rapporto isotopico dell'azoto; concentrazione della CO2 in stratosfera; clgoritmo per ottenere informazioni sulle nubi dagli spettri di MIPAS e sua validazione; cssessment dei vantaggi del GMTR su una analisi in 1 dimensione; metodo di ottimizzazione e di calcolo automatico della costante di calibrazione nelle misure di vapore. Infine è prevista la realizzazione presso ISAC di strumenti CRD funzionanti. Per la missione Cassini su Saturno/Titano si prevedono le seguenti attività: stima dei profili verticali di concentrazione e temperature vibrazionali di HCN e CH4 nella termosfera di Titano; stima dei gradienti orizzontali di concentrazione di PH3 e H2O dall'interno all'esterno di hot spot su Saturno; misure di assorbimento di CH4 in condizioni di atmosfera di Titano simulata, nell'intervallo 1-2 um. Per la missione Juno su Giove si prevede la definizione delle strategie osservative della camera iperspettrale JIRAM.

Potenziale impiego - per processi produttivi La commessa opera nell'ambito delle ricerche della fisica dell'atmosfera, del monitoraggio dell'inquinamento ambientale e dei cambiamenti climatici. Il potenziale impiego diretto delle competenze sia nella progettazione della strumentazione che nell'analisi dati è relativo alle possibili ricadute tecnologiche al sistema indistriale che opera nel


settore dell'ottica, elettronica e del monitoraggio ambientale. In particolare verso industrie che sviluppano metodologie e strumentazione innovativa per la misura dei parametri atmosferici sia per il controllo dell'inquinamento in aree metropolitane che per le previsioni meteorologiche. er processi produttivi Per altre tematiche svolte nell'ambito della commessa, esiste anche un potenziale impiego nel settore delle telecomunicazioni. - per risposte a bisogni individuali e collettivi - Risposte a bisogni individuali Fornitura ad ESA ed EU di prodotti relativi ad attività spaziali nel campo della climatologia dell'atmosfera, quali in particolare: nuovi codici per l'estrazione di parametri geofisici da misure indirette di spettroscopia e LIDAR. Aggiornamento e controllo di qualità dell'analisi operativa dello strumento spaziale MIPAS e validazione delle misure (SAFIRE-A). - Risposte a bisogni collettivi. Sviluppo di nuova strumentazione (LIDAR e spettrometri) e di tecniche di "data assimilation" per la modellazione dell'atmosfera per una migliore descrizione e previsione dei fenomeni in atto: profiling 4-D degli aerosol, del vapor d'acqua (H2O) e del temperatura (T). I Risultati sono di interesse per la comunità climatologica (impatto sul bilancio radiativo), la comunità meteorologica (interazioni aerosol-nubi e impatto sulle precipitazioni) e la comunita ambientale (qualità dell'aria). Inoltre, l'improvement del profiling di H2O e T è di interesse particolare per la comunità meteorologica per l'impatto sui modelli previsionali. Tali risultati sono importanti anche per l'assessment di nuove tecnologie da piattaforma satellitare per le Osservazioni della Terra. Moduli

Modulo: Criteri per la scelta dei parametri di regolarizzazione Istituto esecutore: Istituto per le applicazioni del calcolo "Mauro Picone" Luogo di svolgimento attività: Sede di Firenze

Modulo: Sviluppo ed integrazione di tecnologie attive e passive per il sondaggio dell'atmosfera


Modulo: Sviluppo ed integrazione di tecniche di Osservazioni della Terra dal suolo e da satellite per il profiling dell'atmosfera

Istituto esecutore: Istituto di metodologie per l'analisi ambientale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Osservazioni dell'atmosfera Istituto esecutore: Istituto di scienze dell'atmosfera e del clima Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Provincia di Pisa


Architettura di Tecnologie Linguistiche per la Promozione dell'Italiano nella Società della Conoscenza Dati generali

Progetto: Lingua italiana: strutture, modelli, archivi testuali e repertori lessicali Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: NICOLETTA ZAMORANI Temi

Tematiche di ricerca • Sperimentazione di tecnologie linguistiche con uso di tecnologia Grid (che fornisce un ambiente distribuito per

l'elaborazione di grandi quantità di dati) per applicazioni nel settore del trattamento automatico della lingua (sfruttando il nodo grid CNR-ILC-PISA).

• Studiare nuovi metodi di sviluppo collaborativo e di condivisione di strumenti e risorse e le connessioni fra conoscenze distribuite in rete e ontologie generali e di dominio che sono alla base del Semantic Web.

• Valutazione delle tecnologie che permettono l'integrazione di strumenti e risorse, in particolare tecnologie open source quali UIMA di IBM, per la creazione di un prototipo di piattaforma integrata di strumenti e risorse, e valutazione dell'uso di standard internazionali per la definizione di metadati per l'interoperabilità dei dati.

• Dimostrare le potenzialità del nuovo tipo di paradigma su un insieme di applicazioni basate su un deposito di conoscenza e tecnologia linguistica condivisa, con funzionalità e potenzialità nuove di accesso, navigazione e ricerca, attraverso il coinvolgimento di altri gruppi, anche industriali.

Stato dell'arte Due progetti nazionali, e vari progetti europei di standard internazionali e risorse da noi coordinati, hanno posto le basi per un'architettura che permette di condividere risorse e strumenti linguistici. È stata definita insieme con vari partner una Research Infrastructure Europea (CLARIN) su tematiche simili. La creazione di un'infrastruttura che consenta accesso distribuito e condivisione di risorse, metodi, strumenti e sistemi per il trattamento della lingua (TAL) è in linea con le raccomandazioni del network EUROMAP per promuovere il settore, favorire sinergie fra diversi attori, individuare aree di sviluppo a alto impatto tecnologico, con marcate ricadute economiche, sociali, e culturali. La sperimentazione di nuove architetture porterà alla creazione di un gruppo di esperti, che già collaborano con colleghi europei e internazionali. Un'architettura distribuita di risorse e tecnologie linguistiche contribuirà a formare, intorno a un obiettivo di complessità tale da richiedere forte concentrazione di risorse, una rete di eccellenza italiana con massa critica adeguata per iniziative internazionali. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine All'interno dell'Istituto si stanno formando competenze sulle seguenti tematiche: 1) tecnologie informatiche necessarie per installare e gestire un sito Grid, relative all'hardware, al software di base Grid utilizzato (middleware), e alla gestione delle risorse in Grid. 2) combinazione di tecnologie linguistiche, Grid e web services. 3) tecnologie open source UIMA di IBM, per l'integrazione in UIMA delle diverse risorse e tecnologie linguistiche dell'ILC. 4) data base relazionali open source come MySql, per un più diretto uso della piattaforma UIMA. 5) gestione di liste ad accesso controllato per il controllo degli accessi e della sicurezza in sulle risorse dell'ILC. La creazione di un prototipo di piattaforma integrata di strumenti e risorse costituirà un ambiente sperimentale per dimostrare la validità e le potenzialità di queste nuove direzioni di ricerca.


Strumentazione Relativamente alla realizzazione del sito Grid interno all'ILC, l'Istituto ha acquisito apparecchiature informatiche per il Grid Computing di ultima generazione; tali apparecchiature risultano, però, essere di entità molto modesta rispetto alle "forze" messe in uso da altri enti di ricerca collegati alla rete Grid italiana. Relativamente alla integrazione di risorse all'interno di ILC, l'istituto ha valutato di usare la piattaforma standard UIMA di IBM. UIMA è un framework di integrazione attraverso il quale ogni risorsa funziona sia da sola che in un'ottica di collaborazione, fornendo il proprio output come input alla risorsa/elaborazione successiva. La collaborazione con IBM può portare software aggiuntivo all'istituto.

Tecniche di indagine Verrà impiegata una combinazione di tecnologie linguistiche, Grid e web services. Lo studio dei fenomeni inoltre si avvarrà dello sviluppo di prototipi applicativi per la condivisione e interazione di strumenti e risorse linguistiche distribuite, in prima battuta sfruttando le potenzialità della piattaforma UIMA.

Tecnologie All'interno dell'istituto si useranno tecnologie open source per analisi dati e definizione di modelli multidimensionali di analisi testuale, dove per modello multidimensionale è da intendersi una qualsiasi risorsa analizzabile secondo molteplici aspetti, per ottenere risultati validi sia singolarmente che in combinazione. Gli strumenti di analisi testuale, come parser, tagger,annotatori temporali, ecc., e le risorse linguistiche, come lessici e corpora, verranno integrati all'interno di un framework architetturale, come ad esempio UIMA di IBM (open), responsabile della loro integrazione.

Collaborazioni (partner e committenti) La piattaforma si qualifica come 'enabling technology', per rendere possibile, tecnologicamente e organizzativamente, la collaborazione effettiva dei maggiori centri del settore in Italia, che saranno coinvolti anche attraverso il Forum TAL (Ministero Comunicazioni). È l'unico modo per creare la massa critica necessaria per far decollare il settore, permettendo di concentrare gli sforzi sugli aspetti più innovativi e di sviluppare in tempi brevi applicazioni avanzate. In ottica di implementare una piattaforma integrata di strumenti e risorse nell'istituto basata su UIMA, si stanno ponendo le basi per una collaborazione, anche tecnica, con IBM. Finanziamenti esterni: Inizierà un progetto ESFRI, CLARIN, per la costituzione di una infrastruttura di ricerca europea per le Humanities. È in corso una collaborazione internazionale, Language Grid, per la costituzione di una rete di servizi linguistici multilingui basati su un'ontologia condivisa. Sono in corso altre collaborazioni con progetti internazionali, quali il COE21 LKR ("Framework for Systematization and Application of Large-scale Knowledge Resources") del Tokyo Institute of Technology (il direttore è membro dell'Advisory Group) e nazionali (INFN-GRID). La piattaforma LexFlow per lo sviluppo, integrazione ed arricchimento di risorse lessicali e semantiche basata su un workflow in cui agenti umani e software interagiscono è stata implementata ed ampliata in collaborazione con l'Istituto di Informatica e Telematica, CNR e con Accademia Sinica di Taipei, Taiwan. È iniziata inoltre una collaborazione sul tema del Grid con la Scuola Normale Superiore Pisa e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Pisa, Padova, Bologna, Torino) tesa alla preparazione di una proposta di infrastruttura Grid Pisana. Dopo una prima fase di sperimentazione sarà possibile coinvolgere altri enti.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Appare difficile prospettare iniziative in grado di aumentare le entrate, perché già l'impegno volto a reperire finanziamenti dai diversi enti e istituzioni è massimo. Come si è fatto in passato, ci si terrà in stretti rapporti con il Ministero dei Beni Culturali, che rappresenta il maggior ente finanziatore dell'Edizione Nazionale. Continuerà la collaborazione con il PRIN 2007 sopra cit. Come già fatto in passato, si parteciperà a tutti i possibili bandi di enti pubblici e privati che prospettino la possibilità di finanziamenti sia per l'iniziativa nel suo complesso, sia per singoli progetti o pubblicazioni. Si terranno in massima considerazione le opportunità di finanziamenti indiretti, ovvero quelli di enti italiani e stranieri che, seguendo loro finalità e interessi, finanzino però borse di studio, assegni e progetti di ricerca su temi e opere vallisneriane, per tradursi in attività scientifica utile al progresso dei lavori dell'Edizione Nazionale.

Finalità

Obiettivi Obiettivo principale è stabilire un nuovo paradigma di R&S nel TAL attraverso la creazione di un'infrastruttura linguistica distribuita e condivisa in rete, che permetta la collaborazione controllata e effettiva di molti centri su un compito comune; strategia vincente in discipline più mature quali biologia e fisica. Il disegno di un'architettura di risorse e tecnologie linguistiche contribuirà a formare una rete di eccellenza italiana con massa critica adeguata per partecipare a analoghe iniziative internazionali. A livello europeo, l'Istituto contribuisce in qualità di partner principale a CLARIN (il direttore è Chair dello Scientific Board), un progetto teso alla realizzazione di un nuovo paradigma di ricerca nelle scienze umane e sociali che permetterà l'accesso a vastissimi ed aggiornati depositi di informazione (prodotti costantemente da agenzie di stampa,


università, case editrici, industrie ecc.) tramite strumenti avanzati di interrogazione ed analisi resi disponibili in modalità open-source. Con il progetto Language Grid ci si propone di realizzare una condivisione di servizi linguistici a livello internazionale.


Potenziale impiego - per processi produttivi Rendere possibile a gruppi di ricerca e a gruppi industriali il perseguimento di specifici sviluppi applicativi su un insieme robusto, consolidato e modulare di tecnologie 'di basè, fruibili in rete, che possono essere adattate e integrate in diversi sistemi. Questo è il prerequisito che permetterà di concentrare gli sforzi sullo sviluppo di tecnologie più innovative in tempi più brevi. Ci si propone di dimostrare le potenzialità del nuovo tipo di paradigma su un insieme di applicazioni basate su un deposito di conoscenza e tecnologia linguistica condivisa, con funzionalità e potenzialità nuove di accesso, navigazione e ricerca, attraverso il coinvolgimento di altri gruppi, anche industriali. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Un'infrastruttura condivisa di risorse e strumenti deve essere considerata una tecnologia abilitante per applicazioni con ampie ricadute sociali, in chiave multilingue e multiculturale. Il progetto mira a realizzare la visione di un nuovo paradigma di ricerca e sviluppo nelle scienze umane e sociali, permettendo il confronto, lo sfruttamento reciproco e la combinazione di metodi e approcci eterogenei da parte di gruppi diversi. La piattaforma favorirà la collaborazione dei maggiori centri del settore in Italia, che saranno coinvolti anche attraverso il Forum TAL (presso il Ministero Comunicazioni). La piattaforma di collaborazione aiuterà anche ad aumentare la massa critica necessaria per far decollare il settore, permettendo di concentrare in futuro gli sforzi sugli aspetti più innovativi, quali quelli legati all'elaborazione e comprensione del contenuto. Una tale infrastruttura avrà un impatto positivo anche sulle differenti comunità di studiosi di scienze umane (linguisti, storici, storici della letteratura ecc.) e sulla società tutta in quanto fornirà risorse testuali e strumenti in grado di facilitare l'accesso a contenuti multiligui e multiculturali. Moduli

Modulo: Architettura di Tecnologie Linguistiche per la Promozione dell'Italiano nella Società della Conoscenza

Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Metodi e Strumenti Computazionali per la Ricerca Umanistica, con particolare riguardo alle Discipline Linguistiche e Letterarie Dati generali

Progetto: Lingua italiana: strutture, modelli, archivi testuali e repertori lessicali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: EUGENIO PICCHI Temi

Tematiche di ricerca Sviluppo in modalità Open Source del sistema, brevetto CNR, DBT (Data Base Testuale) e dei componenti associati nel sistema integrato PiSystem; proseguire lo sviluppo del Linguistic Miner con l'inserimento di procedure orientate al Text Mining e all'estrazione di conoscenza linguistica attraverso un raffinamento di tutte le procedure di analisi testuale proprie del Linguistic Miner; continuare lo sviluppo e la messa in linea dei componenti bilingui arabo-italiani (Legge 488); continuare nel progetto ALT-WEB in collaborazione con la Regione Toscana; procedure di analisi testuale multilingue nell'ottica cross language.

Stato dell'arte La commessa rappresenta una delle componenti fondamentali dell'attività dell'Istituto sia per la varietà dei progetti sviluppati in ambito nazionale/internazionale sia per la creazione di nuove linee di attività per lo sviluppo di componenti e moduli linguistico- computazionali per il TAL. L'attività internazionale ed il collegamento ad Istituzioni di ricerca nel settore ha permesso nel tempo di mantenere attiva ed aggiornata la fase di sviluppo delle nuove metodologie. Azioni

Attività da svolgere Sono stati ulteriormente aggiornate le procedure e le risorse per lo sviluppo del sistema NER, tuttavia la fase di arricchimento delle risorse non può certo dirsi conclusa. In considerazione di questo continuo aggiornamento e perfezionamento, è necessario che anche gli applicativi che utilizzano tali strumenti siano periodicamente rivisti e modificati. In particolare "Semantic Press", che realizza la rassegna stampa online per il Consiglio Regionale della Toscana è sottoposto a continue modifiche per rispondere meglio alle esigenza della particolare utenza a cui si rivolge. Allo stesso modo lavoreremo al perfezionamento di un altro applicativo che vede l'utilizzo del sistema di categorizzazione dei testi cosiddetto "a faccette". Le faccette in questo caso sono i termini riconosciuti ed esplicitati, che rappresentano i concetti semanticamente rilevanti in esso contenuti, e sono utilizzati per facilitare la navigazione nel testo. Naturalmente proseguirà la gestione ed integrazione di metodologie e strumenti di supporto ad iniziative di ricerca e di studio in collaborazione con altre istituzioni come l'IRSIG-CNR, con cui è stata mantenuta l'attività di collaborazione, iniziata con il finanziamento FIRB, anche dopo la sua chiusura. In particolare si prevede di continuare l'aggiornamento della banca-dati delle sentenze e ordinanze della Sezione Disciplinare del Consiglio Superiore della Magistratura anche in modo da approfondire le analisi linguistiche e giuridiche ad altri livelli (ad esempio il massimario delle decisioni e i verbali di udienza). A breve sarà conclusa la fase di preparazione del Rimario Diacronico e delle Concordanze elettroniche dell'Orlando Furioso, e si auspica la continuazione della collaborazione con IUSS e Crusca per la prospettata versione lemmatizzata.

Punti critici e azioni da svolgere È necessario investire sempre di più sulle collaborazioni con enti di ricerca anche stranieri, istituzioni e aziende private . Queste collaborazioni sono vitali per noi perché ci permettono di creare sinergie con altre istituzioni di ricerca per sempre nuove specializzazioni e perfezionamenti delle nostre competenze. Un esempio concreto ci ha portato a partecipare al call per i progetti europei LLP con il progetto "The Extendable Dictionary" (TED), insieme ad altri partner italiani, svedesi e finlandesi. Gli sviluppi tecnologici e strategici nel nostro settore infatti, richiedono un adeguamento continuo della nostra competenza. Così come in passato queste considerazioni assumo un particolare valore se si tiene conto la esiguità del numero di persone coinvolte. È molto importante in questo senso la possibilità di reperire nuove risorse umane.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le attività progettuali si avvalgono di competenze specifiche nei vari settori del trattamento del linguaggio e del testo maturate all'interno dell'ILC. La duplice natura dell'attività svolta, articolata nello studio di modelli teorici e sviluppo di prototipi applicativi, richiede una sinergia tra competenze e professionalità diverse, condivise principalmente tra linguistica computazionale ed informatica.


Strumentazione Computer e server dedicato al sistema di spidering per l'acquisizione automatica di testi da internet.

Tecniche di indagine Utilizzo di strumenti di analisi linguistica. Applicazione di modelli statistici per la classificazione automatica di testi, per l'estrazione di terminologia e per la ricerca di pattern linguistici. Sono state utilizzate risorse lessicali specializzate, patrimonio della commessa, come training corpus per le diverse necessità.

Tecnologie Le procedure per la gestione, l'indicizzazione e l'analisi del testo sono basate sulla tecnologia DBT (Data Base Testuale) brevetto CNR, sviluppato da Eugenio Picchi presso l'Istituto di Linguistica Computazionale del CNR di Pisa e strumenti di analisi linguistica del sistema PiSystem. Sono stati anche sviluppati strumenti, basati su tecnologie Open Source, per la creazione del sistema di classificazione.

Collaborazioni (partner e committenti) Oltre alle collaborazioni già citate (Regione Toscana e MIUR per la legge 488) abbiamo tutta una serie di collaborazioni con istituzioni e progetti che costituiscono l'eredità e la ricchezza della nostra attività di competenza e di supporto: Istituto Universitario Orientale di Napoli e Dipartimento di Scienze del Mondo Antico dell'Università di Pisa nell'ambito della legge 488. L'Università degli Studi di Firenze (Centro di Eccellenza CLIEO). Il Museo dell'Opera del Duomo di Firenze per il progetto Cupola. Scuola Normale Superiore per il progetto "Lo Zibaldone di Pensieri" di Giacomo Leopardi. La Facoltà di Giurisprudenza dell'Università degli Studi di Pisa per la biblioteca digitale delle Fonti Giuridiche degli Antichi Stati Italiani. La Garzanti Libri e The Edinburgh Journal of Gadda Studies (EJGS) per il progetto Gadda. L'Accademia della Crusca per il progetto LIR (Lessico Radiofonico Italiano) l'analisi testuale di testi radiofonici. La Facoltà di lettere dell'Università di Perugia. L'IRSIG-CNR di Bologna per il progetto FIRB "Tecnologie per la Giustizia", CVCL (Centro di Valutazione di Certificazione Linguistica) dell'Università per Stranieri di Perugia, Mareinformatica.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Sono in corso trattative con il Consiglio Regionale della Toscana per estendere il servizio di rassegna stampa online anche alla Giunta Regionale. Una volta creato lo strumento e messo a disposizione dell'ufficio stampa della regione è possibile un adattamento anche alle esigenze peculiari della Giunta. Per quanto riguarda il sistema di categorizzazione e navigazione a faccette, sono in corso incontri per l'impostazione di un progetto finalizzato ai beni culturali. Per quello che riguarda il progetto "concordanze diacroniche dell'Orlando Furioso" si ricerca la prosecuzione del progetto con il completamento dell'analisi dei testi contrastivi inserendo anche la classificazione morfosintattica (Lemmatizzazione). Sono iniziate trattative con la società "Eco della Stampa" per la realizzazione di strumenti che aiutino il filtraggio dell'informazione di dominio da fornire ai loro clienti. Dopo gli incontri preliminari siamo in fase di definizione delle specifiche per un testing dei nostri strumenti al fine di poter pensare ad un inserimento nei loro sistemi di recupero e filtraggio testi. In collaborazione con la Regione Toscana, il consorzio Toscana Life Sciences (TLS) e l'Istituto di Fisiologia Clinica del CNR entrerà nella fase di sviluppo il progetto SUBITO, "Rete Sociale Unica per l'innovazione BIomedica Toscana" che vedrà, per la parte di nostra competenza, l'applicazione delle tecnologie e delle risorse del sistema TextPower.

Finalità

Obiettivi Mettendo a frutto l'esperienza di anni si identificano gli obiettivi: disponibilità di strumenti di accesso alle banche dati, anche di grandi dimensioni, testuali e linguistiche; modularità nella progettazione del software - coerenza con l'ambiente di sviluppo Open Source e l'incremento di nuove funzionalità -; realizzazione di strumenti statistico- linguistici per estrazione di informazioni linguistiche e di contenuto da corpora e sviluppo di procedure e moduli più aderente al Text Mining, anche in relazione sia al settore delle "digital library" che a quello dell'e-government.

Risultati attesi nell'anno Entro la fine dell'anno è in progetto la consegna del prototipo che realizzerà la Rassegna Stampa personalizzata per il Consiglio Regionale della Toscana (Press4U). Secondo quanto stabilito con l'ufficio stampa della regione e con la società informatica Mareinformatica, che si occuperà dell'ingegnerizzazione del prodotto, si implementeranno alcune delle specifiche per adattare le risposte del sistema al profilo di interesse di un utente (tipicamente un consigliere regionale toscano). Una volta messa a punto la procedura per la definizione del profilo personale riprodurremo il modello anche per altri settori d'interesse. Sempre entro l'anno terminerà la fase di acquisizione dati per il "Progetto di studio e realizzazione di un sistema di erogazione on-line, in modalità multicanale, di servizi sanitari" in essere con la USL 5 di Pisa. Sarà realizzata l'edizione elettronica e a stampa del Rimario Diacronico dell'Orlando Furioso, a cui si affianca la pubblicazione della versione elettronica delle Concordanze Diacroniche.


Potenziale impiego - per processi produttivi Il sistema "Linguistic Miner" presenta una potenziale applicabilità commerciale nel settore dell'editoria elettronica e non, e nella produzione di risorse "corpus based" per moduli linguistici integrabili in prodotti commerciali più complessi quali ed esempio l'accesso intelligente a banche dati testuali e moduli per la traduzione automatica. Un altro settore di applicazione è quello dell'e-goverment e dell'e-partecipation dove servono strumenti flessibili in grado di rispondere alle esigenze dell'utente. Il sistema DBT continua a trovare interesse nel settore dell'editoria elettronica. Lo sviluppo di tecnologie per il trattamento della lingua araba costituisce un elemento di aggregazione per tipologie di applicazioni che hanno come riferimento l'importanza strategica della lingua araba. Sono in corso numerosi contatti per la loro applicazione in procedure operative anche commerciali. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Il sistema "Linguistic Miner" ha una sicura applicabilità in vari settori quali la didattica, la linguistica, la lessicografia, l'e-goverment e l'e-partecipation. Il sistema DBT continua a trovare interesse nel settore dello studio di materiale testuale di valenza letteraria e di interesse linguistico di più largo respiro. La tecnologia per il trattamento della lingua araba rappresenta un elemento fondamentale per lo studio della lingua araba e il modulo per lo studio contrastivo di corpora testuali italiano ed arabi rappresenta uno strumento utile per facilitare scambi culturali e non solo tra le due culture. Moduli

Modulo: Metodi e Strumenti Computazionali per la Ricerca Umanistica, con particolare riguardo alle Discipline Linguistiche e Letterarie

Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Tecnologie per l'analisi filologica di documenti digitali di cultura Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Tecnologie per la digitalizzazione, restauro e preservazione di archivi sonori e musicali

Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Tecnologie per l’analisi filologica di documenti digitali di cultura Dati generali

Progetto: Lingua italiana: strutture, modelli, archivi testuali e repertori lessicali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Identità Culturale Responsabile indicato: ALESSANDRO ENEA Temi

Tematiche di ricerca La tematica generale della Commessa riguarda la produzione e fruizione specialistica dei documenti digitali, particolarmente quelli di importante valore culturale e storico. In tale settore, una particolare attività di ricerca riguarda l'analisi linguistica e filologica di opere scritte in lingua latina, per le quali il Modulo ha sviluppato nel passato strumenti, la cui realizzazione è avvenuta nell'ambito di importanti progetti comunitari e statunitensi (NSF). Un tema non secondario è lo sviluppo di sistemi software per la produzione di strumenti basati sul web per la gestione e fruizione dei documenti digitali di cultura messi a disposizione da biblioteche, archivi, musei ed istituzioni culturali. Nel secondo modulo i temi sono i protocolli di digitalizzazione per nastri analogici e dischi di vario formato, la definizione dei metadati in contesto di standard internazionali, portale sulle tecnologie ottiche e un secondo portale sui sistemi di storage per archivi. Saranno avviati studi sulla produzione di strumenti musicali a fiato in Italia e realizzato un apposito portale.

Stato dell'arte Per il primo modulo della Commessa, il sistema più attuale a livello internazionale in avanzata fase di realizzazione, oltre ad alcuni prototipi prodotti in Germania (Università di Colonia) e in Inghilterra (Università di Birmingham) è costituito dal Pinakes dell'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze (IMSS), in collaborazione con la Fondazione "Rinascimento Digitale" (FRD). Dopo una fase di sperimentazione eseguita nel 2008, il modulo software Pinakes Text verrà utilizzato per la gestione sul Web delle opere latine di Galileo Galilei in occasione delle celebrazioni della scoperta del primo cannocchiale. Inoltre, ulteriore sperimentazione verrà eseguita sulla documentazione manoscritta di Ippolito Rosellini relativa alle spedizioni lorenesi in Egitto. Per il secondo modulo i risultati di progetti europei quali Prestospace e Minerva come pure le pubblicazioni sull'argomento della IASA (i rapporti TC03 e TC04 sono stati tradotti in italiano a cura del Martlab), AES e UNESCO rappresentano una sintesi dello stato dell'arte nel settore della digitalizzazione e preservazione di documenti sonori. Azioni

Attività da svolgere • Continuazione delle attività di adattamento del sistema di analisi del testo e delle immagini per l'integrazione in

Pinakes (Istituto e Museo Storia della Scienza), specialmente per la gestione di documenti galileani. • Integrazione del sistema di lemmatizzazione latina LEMLAT in Pinakes Text per la lemmatizzazione automatica

delle opere latine di Galilei. • Realizzazione delle fasi preliminari di gestione delle immagini e dei testi correlati al progetto Rosellini. • Nell'ambito del progetto "Migrazioni" del Dip. Identità Culturale, sarà predisposto un adattamento del sistema di

filologia computazionale alle esigenze editoriali di opere filosofiche dell'ILIESI e dell'ISPF. • Svolgimento di una tesi di laurea breve con la collaborazione dell'Università di Pisa per lo sviluppo di un sistema

software basato sul web per la consultazione di basi di dati archivistiche con metodologie XML utilizzando in formato EAD.

• Creazione di un Osservatorio sulla tecnologia dei CD/DVD, e sui sistemi di archiviazione digitale di dimensione medio/piccola.

• Sviluppo di protocolli operativi per il riversamento e restauro di dischi a 78, 33 e 45 rpm. • Progettazione di un portale web rappresentativo di collezione di strumenti musicali con relativi apparati di

documenti testuali, visivi e sonori. • Prosecuzione di 2 assegni di ricerca per Osservatorio tecnologie ottiche e per ricerche archivistiche e creazione

sistema integrato documenti su produzione strumenti musicali.


Punti critici e azioni da svolgere Si lamenta in generale la condizione di mancanza di personale a tempo intederminato che costringe a commissionare lo sviluppo di alcuni componenti tecnologici a società esterne, con ciò impedendo la formazione di personale con spiccate specializzazioni in settori fortemente innovativi delle Scienze Umane in generale e degli studi filologici e critico-testuali in particolare. Si considera particolarmente grave l'impossibilità di portare avanti con la necessaria accuratezza lo sviluppo di componenti aggiuntive all'analisi linguistica di testi latini, a fronte delle numerose richieste di collaborazione ricevute, per mancanza di almeno una risorsa di personale a tempo indeterminato con uno specifico profilo professionale. Per il secondo modulo occorre attivare un maggior coordinamento tra i soggetti italiani che si occupano di digitalizzazione e restauro di archivi audio. Occorre promuovere la consapevolezza dello stato di rischio di molti archivi sonori e reperire finanziamenti per la loro salvaguardia. La frammentazione e le difficoltà di accesso a molti archivi rende difficile la ricerca di documenti di carattere organologico.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Per lo sviluppo delle tematiche di ricerca sopra esposte, relativamente al primo modulo, vengono utilizzate le seguenti competenze in una dimensione multidisciplinare: • conoscenza delle tecniche di critica testuale, di codicologia e di stemmatica filologica; • competenza nel settore della cosiddetta "critique génétique", relativa all'edizione genetica di testi di autori

moderni e contemporanei; • conoscenza degli standard internazionali per il mark-up dei testi e delle informazioni ad essi connesse (apparati,

annotazioni, ecc.); • competenza nello sviluppo di applicazioni sul WEB mediante strumenti open source o public domain. Per il secondo modulo, il laboratorio Martlab presso il Conservatorio di Firenze, che partecipa alla ricerca, è dotato di attrezzature rispondenti alla stato dell'arte. Saranno potenziate le attrezzature per dotare il laboratorio di ulteriori possibilità di intervento. L'ISTI, il Martlab, Rinascimento Digitale e la Mediateca Regionale hanno costituito nel 2008 un centro di competenze come punto di aggregazione per le esigenze degli archivi audiovisivi toscani.

Strumentazione • Personal Computer • Macchine fotografiche digitali • Sistemi di conversione A/D, per restauro audio, per masterizzazione, per compressione. Nel 2009 queste

apparecchiature saranno raddoppiate.

Tecniche di indagine Utilizzo prevalente di metodologie critico-testuali di tipo Lachmanniano per la filologia dei documenti antichi e di tipo genetico per la filologia dei documenti di autori moderni e contemporanei. Utilizzo di protocolli specifici per digitalizzazione e restauro di file audio.

Tecnologie Progettazione di software in una architettura modulare orientata sui sistemi open source.

Collaborazioni (partner e committenti) Fondazione Rinascimento Digitale, Firenze; Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze; Università Statale, Milano; ITEM-CNRS, Parigi; CEC Università di Lisbona, Lisbona; Dipartimento di Scienze Storiche del Mondo Antico, Pisa; Istituto degli Innocenti, Firenze; Istituto Nazionale per la Storia del Movimento di Liberazione in Italia, Milano. Per il secondo modulo, le attività di ricerca sono svolte in collaborazione col centro Martlab, che comprende cinque tecnici operanti a tempo pieno, e collaboratori dei Conservatori di Firenze e Castelfranco Veneto e la Fondazione Rinascimento Digitale. Sono previste collaborazioni col LIM di Milano, Mirage di Udine, Discoteca di Stato, RAI di Roma e Torino e la Mediateca Regionale.


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate 1. Acquisizione di fondi dal Dip. Studi Storici del Mondo Antico per il progetto Rosellini sulla base degli stati di avanzamento dei lavori. 2. Acquisizione di fondi da parte del progetto "Migrazioni" del Dip. IC nei due sottoprogetti ai quali l'ILC afferisce. 3. Proposta di progetto sul bando "Tecnologie per i Beni Culturali" nell'ambito del Piano Innovazione Industriale 2015. 4. Proposta di finanziamento sul Bando della Regione Toscana sul bando relativo all'innovazione tecnologica per i Beni Culturali. 5. Presentazione in congressi e seminari delle funzionalità del sito Internet dell'Archivio Storico dell'Istituto degli Innocenti per avere nuove convenzioni e/o collaborazioni. 6. Attivazione di progetti tramite il centro competenze sulla digitalizzazione.

Finalità

Obiettivi 1. adattamento del sistema di analisi del testo e delle immagini per studi di archeologia egizia (Progetto Rosellini); 2. ottimizzazione del sistema di analisi del testo e delle immagini per l'integrazione in Pinakes Main (Istituto e Museo Storia della Scienza) con sviluppo di nuove funzionalità di tipo linguistico (integrazione col Lemmatizzatore latino LemLat); 3. Sinergie con altre attività realizzate in altri moduli relativamente ai sistemi di annotazione di testi latini per l'elaborazione di dati in formato XML e potenzionamento del modulo preposto alla disambiguazione. Per il secondo modulo: 1. Sviluppo di protocolli di riversamento per nastri e dischi; preparazione di materiale didattico e corsi specialistici sul riversamento; censimento del patrimonio di archivi sonori della Toscana. 2. Preparare tecnici qualificati per digitalizzazione e restauro di archivi audio. 3. Ricostruire l'attività di fabbricazione di strumenti musicali a fiato in Italia.

Risultati attesi nell'anno 1. Sistema software di analisi del testo e delle immagini integrato in Pinakes (Istituto e Museo Storia della Scienza), con esempi di gestione di documenti galileani. 2. Integrazione del sistema di lemmatizzazione latina LEMLAT in Pinakes Text per la lemmatizzazione automatica delle opere latine di Galilei. 3. Realizzazione delle fasi preliminari di gestione delle immagini e dei testi correlati al progetto Rosellini. 4. Nell'ambito del progetto "Migrazioni" del Dip. Identità Culturale, saranno inseriti dati sperimentali per la pubblicazione in formato elettronico di opere filosofiche dell'ILIESI e dell'ISPF. 5. Formazione di giovani con competenze sullo sviluppo di sistemi software basati sul web relativamente al trattamento di basi di dati archivistiche con metodologie XML. 6. Nuove funzionalità e perfezionamento del sito Internet dell'Archivio Storico dell'Istituto degli Innocenti. 7. Messa a regime di Osservatorio su supporti ottici e sistemi di archiviazione digitale medio-piccoli. 8. Sviluppo di protocolli operativi per il riversamento e restauro di dischi a 78, 33 e 45 rpm. 9. Raffinamento di una base dati documentaria sui costruttori di strumenti a fiato italiani. 10. Rendere disponibile alla comunità scientifica un portale web rappresentativo di collezioni di strumenti musicali con relativi apparati di documenti testuali, visivi e sonori.

Potenziale impiego - per processi produttivi Il sistema Pinakes Text, in base alle sperimentazioni eseguite negli anni precedenti, ha mostrato efficacia nel settore dei beni librari e museali. Il prototipo, con opportuni adattamenti e interventi in modo che sia in grado di interagire con gli standard di catalogazione adottati in ambito ministeriale (MBAC), potrebbe essere reso un prodotto open source da inserire, come modulo complementare, in sistemi di produzione di biblioteche e archivi digitali non solo italiani. Le ricerche svolte nel secondo modulo mirano a sviluppare protocolli che possono esser impiegati per il riversamento e la preservazione di archivi sonori, presenti e a rischio di deterioramento in moltissime istituzioni. I moduli didattici e il materiale tecnico prodotto, inclusa la traduzione italiana delle Linee Guida della IASA sono utilizzabili da archivi e biblioteche. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Il sistema Pinakes Text, in base alle sperimentazioni eseguite, ha ricevuto particolare interesse da parte della vasta comunità dei critici testuali e da parte di quelle istituzioni bibliotecarie, archivistiche e culturali, non solo italiane, che hanno avviato campagne di conversione del patrimonio conservato in formato digitale.


Moduli

Modulo: Tecnologie per l’analisi filologica di documenti digitali di cultura Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Tecnologie per la digitalizzazione, restauro e preservazione di archivi sonori e musicali



Tecnologie e sistemi wireless eterogenei interconnessi Dati generali

Progetto: Apparati e Tecnologie per Reti Telematiche Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: NEDO CELANDRONI Temi

Tematiche di ricerca • Modellizzazione di un canale wireless indoor, outdoor e di reti wireless multi-hop • Interconnessione di ambienti wireless eterogenei e complessi • Architetture di reti interconnesse tra BAN, WLAN, e reti satellitari per applicazioni in campo medico e di

protezione civile • Politiche di ottimizzazione per l' allocazione delle risorse in ambienti wireless eterogenei ed interconnessi • Algoritmi di broadcasting in ambiente wireless • Reti di sensori • Algoritmi di ottimizzazione per l'allocazione di risorse in ambiente multi-utente • Middleware per l'acquisizione di informazioni contestuali. In particolare:

• sviluppo di sistemi context-aware; • discovery protocols

• Middleware di integrazione per l'interconnessione di reti wireless con reti WAN • Sviluppo software per piattaforme basate su OSGi, UPnP, WS e SIP • Codifica a livello di pacchetto per reti ibride satellitari e wireless terrestre in ambiente tropicale • Memorizzazione di grandi quantità di dati scientifici in maniera facilmente accessibile • Indoor User localization and Tracking.

Stato dell'arte La maggior parte delle attività in corso sono condotte con finanziamenti esterni al CNR, derivanti dai seguenti progetti finanziati dala Comunità Europea: 1. SatNEx (Satellite Network of Excellence). Progetto Europeo, rete di eccellenza. Contratto N. 507052. 2. PERSONA (PERceptive Spaces prOmoting iNdependent Aging). Progetto Europeo, Integrated Project. Contratto N. 045459. 3. INTERMEDIA (INTERactive MEDIA with personal networked devices). Progetto Europeo, rete di eccellenza. Contratto N. 38419. 4. RINgrid (remote Instrumentation in Next-generation Grids). Progetto Europeo, Support Action. Contratto N.31891. Azioni

Attività da svolgere Si prevede di svolgere le seguenti attività di ricerca: 1. Studi sulla localizzazione di sensori in ambienti indoor, basata su RSSI (receive signal strength indication) di ricevitori Zigbee, tramite simulatori di propagazione e criteri di massima verosimiglianza. 2. Studi sull'integrazione di meccanismi per la qualità del servizio in sistemi context aware per applicazioni wireless multimediali. 3. Studi relativi al sistema "smart bus", ciè l' uso futuristico ed intelligente degli autobus cittadini ed extraurbani. Ciò comporta studi sulle varie tipologie di interconnessione (satellitare, WIMAX, IEEE 802.11p, reti di sensori, etc....), sviluppo di nuovi applicativi, raccolta ed elaborazione di dati ambientali provenienti dai rilevamenti continui degli autobus. Questi dati possono essere anche utilizzati per studiare l'impatto che l'inquinamento urbano ha sulla salute delle persone. 4. Valutazione di sistemi di codifica a livello di pacchetto per sistemi ibridi di tipo satellitare più wireless terrestre, in ambiente tropicale, al fine di massimizzare la qualità del servizio. 5. Studio preliminare di nuovi algoritmi di localizzazione adattivi basati su logica Fuzzy.


Punti critici e azioni da svolgere La localizzazione di sensori è un argomento molto trattato ma estremamente ostico e difficile, specie quando non si vogliono introdurre dispositivi sofisticati, quali quelli impiegati in tecnica radar, ma si voglia utilizzare l'RSSI, cioè il livello di potenza ricevuto da altre stazioni che, normalmente, è già presente nei sensori equipaggiati con protocolli trasmissivi di tipo Zigbee.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Definizione di protocolli per reti di sensori per i livelli rete, trasporto e applicazione che siano efficienti dal punto

di vista del consumo energetico; • Definizione di modelli ed astrazioni per applicazioni di reti di sensori nei confronti di applicazioni operanti su reti

di accesso; • Studio delle prestazioni di protocolli di rete, trasporto ed applicazione tramite simulazione ed analisi; • Conoscenza degli standard e dei protocolli di networking ad oggi in uso in ambito wireless e satellitare; • Problematiche relative all'attenuazione del canale satellitare e relative contromisure; • Applicazione di codifiche di irrobustimento del segnale satellitare a livello di pacchetto; • Progettazione e sviluppo a livello applicativo di software gateway per l'astrazione ed integrazione di reti

eterogenee • Progettazione e sviluppo di middleware per applicazioni context-awaree e location based services (LBS) • Progettazione di AAL-Space (Ambient Assisted Living) • Simulazione di sistemi di comunicazione.

Strumentazione • Reti di sensori basate su dispositivi Mica2, MicaZ e Iris e su interfaccia radio IEEE 802.15.4 • Gateway per reti di sensori stargate • Sensori ZigBee • Ambiente di sviluppo TinyOS • Simulatori NS-2, OPNET • Emulatore per reti di sensori TOSSIM • Marratech, la piattaforma di videoconferenza utilizzato per l'avanzamento del progetto Ringrid • Sistema di video conferenza via satellite POLYCOM • Stazione satellitare SKYPLEXo Piattaforme software orientate ai componenti • Piattaforme software per architetture orientate ai servizi • Software e repository di versionamento. • Felix Platform (OS OSGi implementiation) • Service Discovery libraries ( SDDP, SLP, etc.)

Tecniche di indagine Nel progetto INTERMEDIA, le tecniche di indagine si basano sull'uso congiunto di modelli matematici e la realizzazione di simulatori e di testbed. L'oggetto dell'indagine è lo studio delle prestazioni per protocolli di livello rete o trasporto che viene effettuato comparando i risultati attesi dai modelli matematici con i risultati delle simulazioni o sperimentazioni. Nel progetto PERSONA, le tecniche di indagine si basano sul design e sviluppo di architetture orientate ai servizi (SOA) e alle risorse (ROA) che consentano un elevato grado di disaccoppiamento tra le componenti di sistema, una forte modularità, e facile estendibilità. I risultati vengono comparati sia in termini di interoperabilità con altre piattaforme sia in termini di scalabilità. Inoltre alcune sperimentazioni in situ sono condotte nell'ambito dei progetti di ricerca europei. Nel progetto SatNEX, le tecniche di indagine sono prevalentemente simulative e con campagne di misure.

Tecnologie - Nel progetto INTERMEDIA, le metodologie di modellazione adottate si avvalgono dei risultati delle indagini teoriche per la progettazione e vengono realizzate tramite l'implementazione di prototipi su emulatori o testebed sui quali vengono poi compiuti test funzionali per verificarne il corretto comportamento. - Nel progetto PERSONA, le metodologie di progettazione di sistemi si basano sui requisiti funzionali e non-funzionali derivati dalle collaborazioni in Progetti Europei. Si usano varie tecnologie a partire dal discovering di servizi e dispositivi, la loro descrizione, l'accesso remoto ai servizi, l'invio di messaggi e la sottoscrizione e notifica di eventi asincroni.


Collaborazioni (partner e committenti) PARTNERS: -Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica (DIST) dell'Università di Genova -Dipartimento di Ing. Informatica Univ. di Modena e Reggio Emilia -Politecnico di Torino e di Milano -Georgia Institute of Technology, Atlanta (USA) -Università di Patrasso (GR) – Department of Electrical and Computer Engineering -University of California at Irvine (USA) -DoCoMo Europe Labs, Monaco (Germania) -CNES, Toulouse (Francia) -DLR (DL) -Aristotle University of Thessaloniki (GR) -University of Bradford (UK) -Budapest University of Technology and Economics -Centre National d'Etudes Spatiales (FR) -Fraunhofer Institutes (DL) -Groupe des Ecoles des Télécommunications (FR) -Institute of Communication and Computer Systems of NTUA (GR) -National Observatory of Athens (GR) -Jozef Stefan Institute (SL) -Rheinisch-Westfaelische Technische Hochschule Aachen (DL) -Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (FR) -Technische Universitaet Graz (AS) -Universidad Carlos III de Madrid (ES) -University of Surrey (UK) -University Court of the University of Aberdeen (UK) -Ghent University (B) -Institute for Broadband Technology (B) -Klagenfurt University (A) -Aachen University (D) -Industrial Systems Institute (GR) -Lancaster University (UK) -FHG-FIT (D) -EPFL (CH) -GET-ENST (F) -ICOM (GR) -OFFIS (D) -Poznan Supercomputing and Networking Center – PSNC (POL) -Linz Institut für Graphische und Parallele Datenverarbeitung –GUP (A) -GRNET (GR) -Università Di Vigo (ES) -Università Autonoma Di Barcellona (ES) -ESA COMMITTENTI: -Comunità Europea -MIUR


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Preparazione delle proposte EASY RIDER (coordinata da Magneti Marelli) e SLIMPORT (coordinata da

SelexCom) per Industria 2015, bando Mobilità Sostenibile; • Contatti con la regione TOSCANA per la presentazione dell'idea progettuale dello smart bus e come questo

progetto possa essere finanziato; • Contatti con FIREMA per partecipazione al progetto TRENO; • Contatti con REICOM per possibili collaborazioni su futuri progetti; • Partecipazione alla piattaforma ISI, e, tramite essa, alle nuove proposte di progetto (su tematiche inerenti a questa

commessa) da presentare nell'ambito del Settimo Programma Quadro (FP7); • Partecipazione alla proposta FP7 KEPLER (Kopernicus Emergencies Prevention and management solutions with

Large satcom/nav integration for End-Users support Requests), coordinata da Thales Alenia Space; • Partecipazione alla proposta del bus urbano come monitor ambientale mobile in preparazione come risposta al

bando della regione Toscana (MBI proponente); • Preparazione di una cordata europea per la presentazione di un progetto sullo "smart bus urbano"; • Iniziativa FCO (Foreign & Commonwealth office); vedi http://fco.gov.uk. Lo scopo è trovare potenziali partner

inglesi interessati allo sviluppo dello smart bus; • Presentazione delle attività di ricerca della commessa ed espressamente dell'idea progettuale dello smart bus a

MOBILIS 2008 (Belfort, 18-20 Novembre), su diretto invito. • Contatti con ITALTEL e CNIT per la partecipazione ai progetti internazionali ITEA2 e OSAMI.

Finalità

Obiettivi • Studio e progetto di infrastrutture di comunicazione per reti di sensori per l'ambiente e per la persona per

l'acquisizione di informazione di contesto e realizzazione di applicazioni specifiche per reti di sensori, ad esempio per la localizzazione di utenti mobili.

• Integrazione di sensori fisici e virtuali (quali ad esempio sonde di rete) in un sistema "context-aware" per il controllo della qualità del servizio nelle comunicazioni multimediali.

• Definizione dello stato dell'arte sui protocolli e sui middleware ad oggi disponibili per creare reti cooperative di strumentazioni remote e testbed.

• Definizione di un sistema di codifica a livello di pacchetto per sistemi ibridi satellitari e wireless terrestre.

Risultati attesi nell'anno Ci si aspettano i seguenti risultati: 1. Sviluppo di un prototipo di un sistema integrato con localizzazione e sonde di rete per il supporto alla Qualità del Servizio in applicazioni wireless multimediali, e valutazione delle prestazioni del sistema stesso. 2. Studio di fattibilità della localizzazione per interni con RSSI con un numero limitato di trasmettitori. 3. Analisi della capacità del sistema di trasmissione satellitare DVB/RCS+M per la gestione di situazioni di forte attenuazione atmosferica in ambiente tropicale. 4. Valutazione della precisione di un nuovo metodo di localizzazione per interni basato sulla potenza del segnale ricevuto da più dispositivi wireless. 5. Sviluppo prototipale di un sottoinsieme del sistema smart bus, limitatamente alla parte di rilevamento dei dati ambientali.

Potenziale impiego - per processi produttivi Il progetto Ringrid può dare importanti input in processi produttivi che necessitino di controlli remoti, in quanto ha lo scopo di presentare lo stato dell'arte sui sistemi e le tecniche di controllo remoto di apparecchiature complesse nonché di clustering degli apparati stessi. La piattaforma OSGi utilizzata e le componenti aggiuntive sviluppate nell'ambito del progetto PERSONA possono essere impiegate nella produzione di router e gateway intelligenti (Residential Gateway) nel campo della Home Automation. - per risposte a bisogni individuali e collettivi • Gli studi e sviluppi condotti nel progetto InterMedia (integrazione di sensori fisici e virtuali in sistemi "context-

aware" orientati alla multimedialità) hanno un potenziale impatto nel mercato dell'elettronica di consumo e nella fruizione, da parte di utenti privati, di contenuti multimediali in casa, ufficio, e altri ambienti.

• RINGrid risponde ai requisiti collettivi di: i)dare potenza di calcolo, messa a disposizione degli utenti con accesso a strumentazioni remote; ii) far utilizzare da remoto strumentazioni scientifiche e non, di alto valore economico.

• I sistemi satellitari, studiati in SatNEx, servono a fornire servizi sopratutto a regioni remote, o scarsamente popolate o difficilmente accessibili. In generale, sono di backup o di complemento alle reti terrestri cablate.

• Lo sviluppo di reti prototipali wireless eterogenee ed interconnesse consentono la sperimentazione di diverse applicazioni, in campo medico e sociale e rientrano nel campo applicativo oggi denominato Sensor Web.

• Lo sviluppo derivato dal progetto PERSONA si colloca proprio nell'ambito dell' dell'Ambient Intelligence e Pervasive Computing per il miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo.


Moduli

Modulo: Tecnologie e sistemi wireless eterogenei interconnessi Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Progettazione sviluppo e monitoraggio di reti telematiche Dati generali

Progetto: Apparati e Tecnologie per Reti Telematiche Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: MARCO SOMMANI Temi

Tematiche di ricerca Le attività dei moduli della commessa sono concentrate soprattutto sulle seguenti tematiche: VoIP (promozione nel GARR dell'uso della telefonia via Internet sfruttando la tecnologia ENUM allo scopo di svincolarsi il più possibile dagli operatori pubblici di telefonia pur continuando ad usare la numerazione pubblica E.164); multicast (tecnica utile soprattutto per la diffusione simultanea di contenuti ad un grande numero di destinatari); IPv6 (il nuovo protocollo Internet che, superando le limitazioni dell'indirizzamento attuale (IPv4), permette di avere la rete dovunque e sugli oggetti più disparati); partecipazione alle iniziative di Federated Identity Management (http://www.garr.it/WG/aai/); tecniche di analisi e prevenzione di flussi di traffico indesiderati. Da notare che nuove tematiche possono essere introdotte per effetto dell'evoluzione della tecnologia o dell'insorgere di nuove esigenze sulle reti della ricerca.

Stato dell'arte Le tecnologie ed i servizi vengono generalmente presi in considerazione quando sono già sufficientemente consolidati dal punto di vista della definizione e della standardizzazione, ma prima che inizino ad essere impiegati su larga scala per fini produttivi. L'opera di valutazione e sperimentazione, condotta spesso in cooperazione con esperti delle altre reti della ricerca nei gruppi di lavoro dell'associazione TERENA (Trans European Research and Education Networking Association, http://www.terena.org/), permette il loro impiego nella nostra rete telematica con largo anticipo rispetto alla Internet commerciale. Azioni

Attività da svolgere • Azioni operative, di coordinamento o di formazione finalizzate alla diffusione di VoIP, ENUM, IP multicast e

IPv6 nel CNR e nel resto della comunità GARR. • Interazioni con gli operatori Internet finalizzate alla diffusione delle tecnologie sopra elencate anche nella Internet

commerciale. • Supporto a progetti della Pubblica Amministrazione nei quali siano necessarie competenze sulle tematiche della

commessa. • Conduzione di una Cisco Networking Academy finalizzata alla preparazione alle certificazioni Cisco CCNA e

CCNP. • Introduzione nel CNR di soluzioni di Federated Identity Management.

Punti critici e azioni da svolgere Resta da risolvere la questione di come il CNR intenda finanziare l'evoluzione e lo sviluppo della propria rete. I fondi istituzionali di cui i moduli della commessa hanno potuto disporre sono stati assegnati con gli stessi criteri usati per tutte le altre commesse, senza tenere conto del fatto che attraverso il miglioramento e la diffusione dei servizi di rete si aumenta la produttività dell'intero Ente e si contribuisce alla riduzione di altre spese (telefonia, missioni, etc.).

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Conoscenza dei protocolli e degli standard di rete: prevalentemente IETF (http://www.ietf.org/) e IEEE (http://www.ieee.org/). Conoscenza delle potenzialità e delle modalità di configurazione e gestione di apparecchiature e applicazioni di rete. Pianificazione e dispiegamento di servizi di rete su larga scala e assicurandone l'interoperabilità con le soluzioni adottate in altre parti della comunità scientifica internazionale.

Strumentazione Apparecchiature di rete (router e switch), apparecchiature per comunicazioni multimediali (telefonia, videoconferenza etc.), applicazioni per telefonia, cooperazione a distanza, controllo delle reti.

Tecniche di indagine Le nuove tecnologie ed i nuovi servizi di rete vengono valutati e sperimentati allo scopo di verificare l'opportunità della loro introduzione nella rete GARR e di individuarne le forme di utilizzo più rispondenti alle esigenze della comunità scientifica nazionale. Successivamente le nuove tecnologie e servizi vengono resi operativi sull'intera rete.


Tecnologie Protocolli VoIP, ENUM, protocolli multicast, IPv6, standard IETF e IEEE, metodi di autenricazione.

Collaborazioni (partner e committenti) Partner: Consortium GARR (http://www.garr.it/), esperti della comunità scientifica europea partecipanti ai gruppi di lavoro di TERENA (http://www.terena.org/), esperti di università, ENEA, INFN e INAF partecipanti ai gruppi di lavoro GARR, Ufficio Infrastrutture di Elaborazione e di Comunicazione dell'Amministrazione CNR, punti di interscambio Internet nazionali (http://www.mix-it.net/, http://www.namex.it/, http://www.top-ix.org/, http://www.tix.it/). Committenti: Consortium GARR, Ufficio Infrastrutture di Elaborazione e di Comunicazione dell'Amministrazione CNR, CDC Point S.p.A., Consorzio Pisa Ricerche, Regione Toscana, Regione Calabria, BESS (http://www.bess-piemonte.it/), IRES (http://www.ires.piemonte.it/), Comune di Livorno

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si intende rinegoziare alcuni aspetti finanziari dell'accordo di collaborazione con la Regione Toscana, per tenere conto del nuovo ruolo di verificatore di soluzioni VoIP commerciali, che lo IIT svolge nei confronti della Regione.

Finalità

Obiettivi • Diffondere nella comunità scientifica nazionale e, laddove possibile, anche al di fuori di questa l'uso di tecnologie

abilitanti per la società dell'informazione quali ENUM, IPv6 e multicast. • Diffondere nel CNR l'uso delle tecniche di Federated Identity Management. • Perfezionamento delle tecniche di indagine per analizzare e neutralizzare varie patologie di rete.

Risultati attesi nell'anno Per la maggior parte delle attività finanziate da esterni gli obiettivi sono periodicamente concordati e ridefiniti con i committenti, per cui risultano difficili previsioni puntuali. A livello CNR, in presenza di finanziamenti adeguati, è ipotizzabile l'allargamento della soluzione VoIP almeno a tutte le aree di ricerca. Si ricorda che l'attivazione della soluzione Voip presuppone l'attivazione di un gateway fra il PBX locale e la rete IP e opportuni interventi software (e in alcuni casi hardware) sul PBX stesso. Sempre subordinatamente al finaziamento CNR, è ipotizzabile un corso di una settimana finalizzato all'aggiornamento tecnologico dei tecnici di rete del CNR. Riguardo alla Networking Academy, si precisa che il corso completo è di durata annuale e che si prevede di attivare nuovi corsi con frequenza trimestrale.

Potenziale impiego - per processi produttivi La promozione dell'uso del protocollo IPv6, da effettuarsi non solo nella comunità delle reti della ricerca, ma soprattutto nella Internet commerciale, è il presupposto indispensabile per aprire la strada alla nuova Internet presente dovunque e sugli oggetti più disparati. La disponibilità su Internet dell'IPv6 apre la strada alla produzione di nuovi prodotti in grado di comunicare in rete e utilizzabili in campi quali la domotica, la telemedicina, l'industria automobilistica, etc - per risposte a bisogni individuali e collettivi Con la disponibilità su Internet del multicast IPv6 la distribuzione contenuti audio e/o video sarà possibile con investimenti ridottissimi: diventa quindi possibile per minoranze, movimenti di opinione o anche singoli individui distribuire contenuti radiofonici o televisivi. Più in generale, gli sviluppi della domotica e della telemedicina resi possibili dal protocollo IPv6 provocheranno radicali cambiamenti nella vita di tutti i giorni. Il protocollo ENUM, che rende possibile la telefonia senza operatori, darà luogo ad una sempre maggiore riduzione delle spese di telefonia di imprese e privati, che saranno compensate da maggiori disponibilità a spendere per connettività Internet. Moduli

Modulo: Sviluppo e monitoraggio della rete CNR in Liguria Istituto esecutore: Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle

telecomunicazioni Luogo di svolgimento attività: Sede di Genova

Modulo: Servizi VoIP e multicast, progettazione LAN e monitoraggio reti Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Modulo: Sviluppo e monitoraggio della rete CNR nel Triveneto Istituto esecutore: Istituto di ingegneria biomedica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sistemi di autenticazione, autorizzazione ed accounting centralizzati Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sistemi avanzati di videocomunicazione su IP e telemedicina Istituto esecutore: Istituto di scienze neurologiche Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Progettazione sviluppo e monitoraggio della rete CNR Istituto esecutore: Istituto di studi sui sistemi intelligenti per l'automazione Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sviluppo e monitoraggio della rete CNR nel Piemonte Istituto esecutore: Istituto di ricerca sull'impresa e lo sviluppo Luogo di svolgimento attività: Ceris - Istituzioni e politiche per la scienza e la tecnologia

Modulo: Sviluppo e monitoraggio della rete CNR in Lombardia Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie molecolari Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sviluppo sistemi di monitoraggio di rete in ambiente Windows Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede di Messina

Modulo: Sviluppo e monitoraggio della rete CNR in Emilia e Romagna Istituto esecutore: Istituto di scienze marine Luogo di svolgimento attività: Sede di Geologia Marina - Bologna


Interfacce Utenti e Domotica nei Servizi Interattivi Dotati di Ubiquità Dati generali

Progetto: Data Mining, Ontologie e Web Semantico Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FABIO PATERNÒ Temi

Tematiche di ricerca La commessa è attiva in varie filoni di ricerca: • Interfacce multi-modali: strumenti per progettare e soluzioni che consentano di combinare varie modalità di

interazione (come grafica, voce, gesti) in modo da facilitarla tenendo presente il contesto di uso; • Strumenti per la valutazione : creazione di sistemi capaci di valutare l'usabilità e l'accessibilità tramite varie

tecniche (tra cui l'analisi del comportamento umano o la verifica automatica del supporto di linee guida), considerando anche le problematiche relative a utenti disabili;

• Domotica: l'apertura delle reti domotiche (anche a quelle Web), creando l'interoperabilità e integrazione tra vari componenti, con capacità di sfruttare insiemi dinamici di dispositivi;

• Interfacce migratorie: creare architetture e strumenti che siano in grado di supportare la migrazione di interfacce attraverso diversi dispositivi in modo da supportare con continuità l'utente in movimento;

• End-user development: tecniche per persone senza particolare conoscenze di programmazione di modificare ed arricchire le funzionalità di un sistema informatico.

• Guide mobili: guide capaci di fornire informazioni in modo dipendente dal contesto.

Stato dell'arte I servizi interattivi pervasivi sono una tecnologia chiave per migliorare la qualità della vita ed aprire nuove prospettive al mercato tecnologico. Tuttavia, la loro affermazione dipende dal livello di usabilità che li caratterizzeranno. Per questo motivo le principali agenzie di ricerca nei paesi tecnolgicamente avanzati (comprese quelle europee, anche con il VII Programma Quadro) mirano a sviluppare le competenze e le ricerche nll'ambito dell'interazione uomo-computer. Infatti nel workprogramme della Commissione Europea per l'ICT queste tematiche sono importanti in numerose challenges, come la 1 (Pervasive and Trusted Network and Service Infrastructures), la 2 (Cognitive Systems, Interaction, Robotics) e la 7 (ICT for Independent Living and Inclusion). Inoltre è interessante notare un'evoluzione nell'ambito dell'ICT, dove molte aree si stanno sempre più orientando a considerare problematiche che hanno una rilevanza per l'interazione uomo-macchina. Un tema trasvesale è come ottente applicazioni che possono essere accedute tramite diversi tipi di dispositivi di interazione, a questo scopo sta emergendo la necessità di linguaggi di interazione universali logici. Azioni

Attività da svolgere Sulla base dei buoni risultati ottenuti si evolverà nell'attività di ricerca al fine di conseguire nuovi risultati. Le aree in cui si prevedono sostanziali attività includono: • la domotica interattiva per tutti, individuando soluzioni che permettono di integrare middleware per

l'interoperabilità con sistemi di generazione di interfacce adattivi al contesto d'uso; • interfacce multimodali per dispositivi mobili, progettando ed implementando soluzioni che sfruttino in modo

combinato interazione vocale e grafica, uso di RFID, gesti rilevati tramite accelerometri e che abilino l'accesso a varie tipologie di utenti;

• editoria elettronica accessibile per i non vedenti; • ambienti multi-dispositivi in grado di arricchire l'esperienza di visitatori museali tramite giochi; • sistemi mobili per l'interazione guidatore-autombile; • sistemi per la valutazione di usabilità di applicazioni per dispositivi mobili; • interfacce migratorie per ambienti domestici (con supporto acheper la TV digitale); • strumenti per la valutazione di guidelines in ambienti Web; • sistemi per la generazione di applicazioni web dinamiche in ambienti multi-dispositivi.


Punti critici e azioni da svolgere Il maggior punto critico è la completa mancanza di posti a tempo indeterminato che si è avuta finora che ha creato una mancanza di prospettive ai brillanti giovani ricercatori che hanno lavorato ell'ambito della commessa. Inoltre sarebbe molto utile un support alla gestione amministrativa e rendicontazione dei progetti europei.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze della commessa, come dimostrato dalle pubblicazioni scientifiche e dagli strumenti automatici sviluppati ricadono nelle seguenti aree: • Sistemi interattivi di supporto ad utenti mobili, capaci di adattarsi al contesto di uso (utente, ambiente,

dispositivo), inclusi guide mobili e servizi interattivi migratori (in cui l'interfaccia utente si sposta da un dispositivo ad una altro per seguire l'utente);

• Valutazione di usabilità ed accessibilità, con strumenti automatici sia tramite ispezione che analisi remota; • End-User Development, la possibilità per gli utenti di sviluppare o personalizzare i servizi interattivi; • Interfacce Utenti MultiModali, uso combinato di grafica, voce, gesti • Linguaggi basati su XML per la descrizione di interfacce utenti • Domotica (inclusi i relativi standard, middleware, le interfacce, i bus domotici, ecc.); • Soluzioni, linee guida e tecnologie per persone disabili e anziane (in particolare utenti con disabilità visive), ad

esempi sviluppando soluzioni per l'editoria elettronica accesisbili; • La progettazione di nuovi componenti e l'apertura delle reti domotiche a quelle Web, l'interoperabilità e

integrazione.

Strumentazione La commessa ha due laboratori. Uno di interfacce utenti ed uno di domotica. In quello di interfacce utenti vi sono vari strumenti per la progettazione, generazione e valutazione di usabilità ed accessibilità (alcuni sviluppati da laboratorio altri acquisiti esternamente, come un eye-tracker). Inoltre vi sono varie tecnologie per sperimentare nuove soluzioni di supporto ad utenti in movimento, come lettori RFID per dispositivi portatili e relativi tag (sia pasivi che attivi). Nel laboratorio di domotica, vi sono vari dispositivi domestici e strumenti per la loro comunicazione che permettono di testare soluzioni per questo ambito.

Tecniche di indagine Progettazione, sviluppo e valutazione di software, tecnologie e metodi per interfacce utenti e domotica capaci di supportare servizi usabili ed accessibili in ambienti dotati di ubiquità. In questo ambito si usano tecniche basate su modelli che a vari livelli di astrazione descrivono sistemi interattivi ovvero sistemi interagenti con esser umani. Ad esempio si sfruttano modelli di task che descrivono le attività da svolgere, e le loro relazioni temporali e semantiche, per raggiungere gli obiettivi dell'utente. Informazioni semantiche vengono usate anche nei sistemi di generazione di interfacce utente per ottenere adattamenti più efficaci al contesto di uso. Tali informazioni vengono rappresentate in linguaggi logici basati su XML che catturano la semantica dell'interazione da supportare. Si sviluppano soluzioni che sono in grado di sfruttare vari tipi di sensori di interazione (accelerometri, touch screen, vibrotattili, ...) e di locazione (GPS, RFIDs, ..) per supportare l'utente.

Tecnologie A livello implementativo si utilizzano vari ambienti (Java, Microsoft, Web) sempre allo scopo di assicurare le massime potenzialità realizzative ai metodi sviluppati. I sistemi di middleware sviluppati (ad esempio per supportare interfacce utenti migratorie o l'interoperabilità domotica) utilizzano Web services.

Collaborazioni (partner e committenti) La commessa collabora con istituti accademici ed aziende vari livelli. Aziende: SAP, NEC, Vodafone, Arcadia, Nokia, Telecom Italia ... Università Italiane: Università di Pisa, Udine, Roma La Sapienza, Bari, Milano, ... Università Estere: Università di Clausthal, Glasgow, Grenoble, MIT Media Lab, Aalborg, Tolosa, ... Enti di Ricerca Italiani: Altri istituti CNR, IRST, ... Enti di Ricerca esteri: Fraunhofer FIT, INRIA, ZGDV, DFKI...

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Le ulteriori iniziative per l'acquisizione di nuove entrate verranno prese in diverse direzioni: • Le chiamate del VII programma quadro dell'IST; • I bandi per la ricerca long-term; • Le chiamate della Regione Toscana che sembra voler incrementare i fondi per le attività di ricerca e sviluppo; • Le aziende informatiche e di telecomunicazione nazionali ed europee che possono migliorare il loro know-how

finanziando collaborazioni con noi.


Finalità

Obiettivi L'obiettivo è di sviluppare un insieme di metodi e strumenti che consentano di progettare, implementare e valutare servizi interattivi accessibili ovunque, con utenti mobili che possano usare vari tipi di dispsotivi di interazione. Questo significa identificare tecniche che consentano di modellare utenti, dispositivi ed ambienti e siano capaci di adattare dinamicamente come tali servizi vengano forniti in termini di presentazione, navigazione, e contenuto. Questo può essere ottenuto con competenze in human-computer interaction, domotica, sistemi interattivi ed adattivi.

Risultati attesi nell'anno Pubblicazioni in riviste e conferenze internazionali, prototipi, strumenti, linguaggi e metodi relativi alle attività da svolgere

Potenziale impiego - per processi produttivi Molti sono i soggetti che possono beneficiare dai risultati del lavoro di questa commessa: • aziende informatiche che vogliono rendere i loro servizi più usabili ed accessibili, in particolare in ambienti

multi-dispositivi (ad esempio quando un applicazione deve essere acceduta tramote dispositivi desktop e mobili); • aziende che devono modellare e sviluppare applicazioni interattive che devono consentire accesso a molte

funzionalità remote (tramote tecnologie come web services); • aziende per servizi tecnologici di assistenza remota; • grossi installatori di impianti domotici; • aziende interessate ad applicazioni innovative per monitorare ed interagire con utenti che sfruttano sensori non

invasivi; • aziende ed enti che hanno bisogno di guide mobili per supportare utenti in movimento (in ambienti come musei,

edifici, uffici, ...) Inoltre molti servizi sociali possono beneficiare dei risultati, tra questi vanno inclusi quelli relativi all'assistenza degli anziani e quelli relativi all'assistenza per disabili. - per risposte a bisogni individuali e collettivi L'informatica negli ultimi anni è diventata una tecnologia pervasiva alla portata di tutti (dai bambini agli anziani). Ecco che per renderla efficace a questo moltiplicarsi di richieste vi è la necessità di applicare i risultati delle ricerche (come quelle sviluppate da questa commessa) che hanno mirato a fornire indicazioni per creare software che rende possibile interagire in modo usabile ed in diversi contesti di uso. Inoltre, anche a livello legislativo, vi è una crescente consapevolezza dell'importanza di consentire anche a chi ha delle disabilità l'accesso alle funzionalità informatiche. Nella commessa sono stati sviluppati criteri e strumenti per favorire l'accessibilità, in particolare per utenti cechi o ipovedenti. Moduli

Modulo: Interfacce Utenti e Domotica nei Servizi Interattivi Dotati di Ubiquità Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Knowledge Discovery and Data Mining (Estrazione di conoscenza e data mining) Dati generali

Progetto: Data Mining, Ontologie e Web Semantico Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: CHIARA RENSO Temi

Tematiche di ricerca La missione della commessa è di perseguire ricerca fondamentale, applicazioni strategiche e alta formazione intorno alle tematiche: • Algoritmi e metodi di data mining su nuove forme di dati: dati spaziali, temporali e spazio-temporali geo-

referenziati di oggetti mobili; logs per la costruzione di servizi per l'accesso intelligente alle risorse web; grafi relativi a strutture web, proteine, ontologie o processi aziendali.

• Supporto al processo di estrazione di conoscenza: ambienti e linguaggi basati su vincoli che combinano estrazione di conoscenza con strumenti per ragionare, interpretare e e sintetizzare.

• Aspetti di privacy nei dati e nel data mining: tecniche di anonimizzazione, hiding, sanitizzazione per rendere la pubblicazione dei dati o dei pattern estratti rispettosa della privacy.

• Estrazione di conoscenza e ontologie di contesto: combinazione di metodologie di natural language processing, knowledge management, text mining e data mining per l'estrazione di conoscenza da contesti descrittti da ontologie.

• Mining e warehousing per l'impresa: soluzioni intelligenti e adattive in supporto al marketing e alla gestione dei processi aziendali in organizzazioni complesse.

Stato dell'arte La crescita del Web, l'avanzamento della tecnologia delle reti, dei sistemi satellitari, della telefonia mobile, delle reti di sensori, della ricerca biomedica hanno dato un nuovo impulso alla ricerca nell'ambito del Knowledge Discovery in Databases (la scoperta della conoscenza nelle basi di dati), noto anche come Data Mining (DM) ponendo nuove interessanti sfide determinate appunto dalle nuove forme dei dati, non più regolari e statici come nei database relazionali, ma multiformi, semistrutturati, testuali, dinamici. La peculiarità del DM è l'accorciamento della filiera ricerca di base-applicata-trasferimento tecnologico, in quanto l'invenzione di un nuovo metodo di data mining può generare ricadute immediate nello specifico settore di applicazione. La Business Intelligence, di cui il DM rappresenta l'aspetto più avanzato a supporto delle attività decisionali delle organizzazioni complesse, è ritenuta attualmente un fattore imprescindibile per affrontare la competizione globale e le sfide della società della conoscenza; ma la tecnologia DM è difficile da usare ed è quindi fondamentale il trasferimento tecnologico e la formazione di figure professio Azioni

Attività da svolgere Le attività programmate dei vari moduli della commessa così sintetizzabili: • Algoritmi Data mining su nuove forme di dati: su dati spaziali, temporali e spazio-temporali geo-referenziati di

oggetti mobili; su grafi relativi a strutture web, proteine o processi aziendali • Supporto al processo di estrazione di conoscenza: ambienti e linguaggi di interrogazione che combinano

estrazione di conoscenza con strumenti per ragionare, interpretare e e sintetizzare. • Estrazione di conoscenza e ontologie di contesto: combinazione di metodologie di natural language processing,

knowledge management, text mining e data mining per l'estrazione di conoscenza da contesti descrittti da ontologie (Ambiente Normativo e GIS)

• Revisione conclusiva dei dizionari di dominio realizzati (Codice per la protezione dei dati personali e Costituzione della repubblica).

• Sperimentazione del sistema di ricerca concettuale di disposizioni normative e confronto con la prassi delle consulenze legali in materia, disponibili in internet, per meglio valutare la usabilità degli strumenti realizzati.

• Aspetti di privacy nei dati e nel data mining: tecniche di randomizzazione, hiding, sanitizzazione per rendere la pubblicazione dei dati o dei pattern estratti rispettosa della privacy.

• Mining e warehousing per l'impresa: investigazione di soluzioni intelligenti e adattive in supporto al marketing e alla gestione dei processi aziendali in organizzazioni complesse.


Punti critici e azioni da svolgere Garantire continuità di risorse altamente qualificate: la ricerca si appoggia sull'attività di giovani post doc il cui stipendio dipende dai finanziamenti esterni su base annuale. Senza la possibilità di offrire posizioni di più lungo respiro difficilmente tali risorse rimangono. Le risorse da fonti esterne si ottengono con una grande credibilità scientifica a livello nazionale ed internazionale, ma ci debbono anche essere dimostrazioni di volontà di crescita e di rimpiazzamento del turn-over da parte dell'ente. Il sistema dei finanziamenti di ricerca pubblica spesso impiega tempi lunghissimi sia per valutazione e proseguimento dei finanziamenti causando problemi per confermare i giovani ricercatori in formazione.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Competenze di base: Basi di dati, Intelligenza artificiale, apprendimento automatico, data mining: 1) metodi un-

supervised quali Clustering e Pattern discovery ( pattern frequenti, pattern sequenziali) e dei metodi supervised in particolare classificazione mediante alberi di decisione 2) web mining, text mining, spatial data mining, spatio temporal reasoning. Inoltre elaborazione del linguaggio naturale, ragionamento spazio-temporale e gestione dell'incertezza su dati geografici.

• Competenze applicative: Conoscenza delle problematiche applicative del DM in alcuni settori strategici: analisi di mercato e CRM nella grande distribuzione, analisi previsionali e rilevamento di frodi per la pubblica amministrazione, analisi di dati biomedici e ambientali per studi epidemiologici, analisi esplorative di dati clinici e gnomici.

• Competenze tecnologiche: Strumenti, linguaggi ed algoritmi del settore sviluppati dalla comunità scientifica internazionale. Conoscenza per l'utilizzo e disponibilità dei principali sistemi commerciali e open source per Business Intelligence, Datawarehouse e Data Mining resi fruibili anche a partner di progetto nel laboratorio didattico e di sperimentazione.

Strumentazione Reti di computer sia server che client che workstation di vario tipo. Software di base, ambienti di sviluppo e software specialistico per data base, data warehouse,statistica, data mining, natural language processing sia di commerciali, open source , sviluppati dalla comunità scientifica e di produzione propria.

Tecniche di indagine Nello sviluppo di nuovi algoritmi: metodi formali per la dimostrazione di proprietà dei metodi sviluppati, metodi di validazione sperimentale sintetica utilizzando i banchmark riconosciuti dalla comunità scientifica e validazione sul campo con la realizzazione di dimostratori su specifici casi di studio. Nello sviluppo di applicazioni si attua lo standard processo di estrazione della conoscenza che va dalla comprensione del problema, acquisizione e comprensione dei dati, generazione dei modelli, interpretazione dei risultati e validazione, e messa in opera.

Tecnologie Nello sviluppo di nuovi algoritmi si impiegano ambienti di programmazione allo stato dell'arte quali .NET e famiglia del linguaggio C/C++ , famiglia Java. Nello sviluppo di dimostratori applicativi si usano ambienti di sviluppo datawarehouse e datamining sia proprietari che open source quali: Oracle, Clementine, MS Analysis Service, Penthaho, Weka, sia librerie sviluppate dalla comunità scientifica.


Collaborazioni (partner e committenti) Partner costante nelle iniziative progettuali e di ricerca è il Dipartimento di Informatica dell'Università di Pisa con cui è formalizzata la convenzione fra i due enti per il Pisa-KDD Laboratory. Partner di progetti di ricerca: Univ. Venezia, Dip. Informatica, Univ. Calabria, Ingegneria Informatica, ICAR-CNR, Insa-Lyon, France, Fraunhofer Institute, AIS, dott. Michel May EPFL ‘ Lousanne, prof. Spaccapietra University of Pireus, Univ. Sabanci Turchia UCLA ‘ USA ‘ prof. Carlo Zaniolo Rensselaer ‘ Polytechnich Institute New York ‘ Prof. Mohammed Zaki U.O. Immunoematologia dell'Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana Wind Partner di progetti applicativi e didattici : Unicoop Tirreno, Carrefour, Software Products Italia, Roche, Armani, Istituto Fisiologia Clinica ‘ CNR, Sister ‘ Sistemi Informativi Territoriali - Pisa, Comune di Bologna, Comune di Pisa, BC - Catania

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Sono in corso varie iniziative sia per inserire le attività di ricerca inproposte di progetto nel VII programa quadro, che nell'ambito del programma di ricerca nazionale (FIRB, PRIN), che per trasferire i risultati delle ricerche in progetto innovativi verso scenari applicativi strategici quali la Mobilità sostenibile, la logistica, l'intelligent transportation e l'accesso intelligente a risorse documentali.

Finalità

Obiettivi La commessa si propone di sviluppare conoscenza, metodi e strumenti e ambienti per: • Creazione di algoritmi di clustering, classificazione e pattern discovery per dati spazio-temporali per trattare

traiettorie di oggetti mobili. Algoritmi efficienti per l'estrazione di vari tipi di pattern locali: sperimentazione su dati di proteomica, web logs e process logs e per l'analisi di reti sociali.

• Ambienti per la combinazione di querying, mining e reasoning ritagliati su tipi di dati specifici quali le traiettorie. • Studio delle problematiche relative alla privacy derivanti dalle tecniche di datamining. • Estrazione di pattern frequenti e globali in testi ristrutturati e annotati con una ontologia con particolare

riferimento ai testi legali. • Rappresentazione di interrogazioni in linguaggio naturale in strutture logico-predicative interpretabili su base

ontologica. • Mantenere attivo il Laboratorio didattico e applicativo: rivolto a progetti di BI e Infomobilità.

Risultati attesi nell'anno I risultati previsti dai progetti dei tre moduli della commessa: • Modulo 2: Architettura ANiTA • Modulo 3: GeoPKDD, Tocai.it, Miniera della Salute, BI-COOP,DIVA, Miniera della salute, ANONIMO. • Modulo 4: Pubblicazioni sull'intero progetto LME. Impostazione di un prototipo metaPlan.

Potenziale impiego - per processi produttivi La BI, di cui il DM rappresenta l'aspetto più avanzato come strumento di supporto delle attività decisionali delle organizzazioni complesse, private e pubbliche, è ritenuta attualmente un fattore imprescindibile per affrontare la competizione globale e le sfide della società della conoscenza. Tale osservazione è particolarmente stringente sulla scena italiana che evidenzia difficoltà delle proprio imprese a mantenere posizioni sul mercato. I nostri progetti di ricerca sono mirati a creare strumenti di conoscenza ‘ modelli previsionali, regole di comportamento, analisi storiche e geografiche,- che abilitano servizi per una migliore comprensione delle organizzazioni e del loro mutevole contesto operativo, favorendo così le funzioni decisionali. Nel progetto GeoPKDD i modelli di mobilità costruiti a partire da dati di log di telefonia mobile che possono essere utilizzati per la pianificazione del traffico urbano, oppure per l'ottimizzazione della infrastruttura di rete di telefonia. Nel progetto Miniera della Salute una migliore ricostruzione dell'aplotipo del richiedente e del donatore in un processo di trapianto di organo rende più efficace il matchin - per risposte a bisogni individuali e collettivi Il DM è abilitante per la costruzione di servizi di accesso ai contenuti (risorse web, biblioteche digitali, programmi televisivi) da parte degli individui arricchito in intelligenza e personalizzazione. I metodi DM rimangono nascosti all'interno di applicazioni verticali che imparando dalla storia passata permettono una personalizzazione dell'uso di un


servizio. L'estrazione di pattern di movimento studiati in GeoPKDD mira alla realizzazione di una nuova classe di servizi di supporto alla Mobilità sostenibile che permette il pianificatore di avere una chiara idea dell'uso effettivo della città anche real-time. PATTERNIST affronta un tema di forte impatto sull'individuo e la collettività, è quello delle tecniche di DM rispettose della privacy, con l'obiettivo di creare modelli di analisi equipaggiati con misure concrete della possibilità di raggiungere i dati sensibili degli individui violandone la privacy. FULL permette di esprimere richieste in linguaggio naturale a un SIT comunale facilitando così l'interazione del cittadino con i servizi offerti dalla municipalità. Moduli

Modulo: Natural Language Processing and Knowledge Discovery Istituto esecutore: Istituto di linguistica computazionale Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Knowledge Discovery and Data Mining Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Model Driven Legislative Drafting Istituto esecutore: Istituto di teoria e tecniche dell'informazione giuridica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Digital Libraries Dati generali

Progetto: Data Mining, Ontologie e Web Semantico Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FAUSTO RABITTI Temi

Tematiche di ricerca Distributed digital library systems • sistemi per la gestione di digital libraries su Grid e P2P Multimedia Similarity Search • metodi di accesso distribuiti per la ricerca basata sulla similarità • filtering di stream video con metadati codificati in MPEG7 Automatic text and image categorization • generazione automatica di classificatori di testo e immagini • applicazioni della classificazione automatica alla codifica automatica di sondaggi, etc. Cross-language information access • indirizzo della ricerca in cross-language (CLEF . Cross-Language Evaluation Forum) Data Management in Wireless Sensor Networks • Esecuzione di interrogazioni in Reti di Sensori con paradigma database • Ottimizzazione basata sul consumo di energia delle interrogazioni in Reti di Sensori Ontology management • framework logico-probabilistico per la rappresentazione di conoscenza incerta • allineamento automatico di ontologie Digital Library Infrastructures and Services • gestione di biblioteche digitali e d loro portali • accesso all'informazione bibliografica • servizi specifici per biblioteche digitali (e.g., gestione pubblicazioni CNR)

Stato dell'arte Il termine "Digital Library" è correntemente usato a sistemi di natura molto eterogenea e con funzionalità molto diverse: dagli archivi di oggetti digitali e metadati ai sistemi più complessi che integrano i servizi più avanzati, spesso ancora a livello di ricerca. Questo "stato dell'arte" attuale, caratterizzato spesso dalla mancanza di consenso su componenti e loro funzionalità, ha portato alla generale mancanza di interoperabilità e riutilizzo di componenti e tecnologie. Un importante passo in avanti è stata la pubblicazione del Digital Library Manifesto", scritto dai più prominenti scienziati europei dell'area Digital Libraries, tra cui tre provenienti da questa commessa (guidati da Donatella Castelli), che ha portato alla definizione delle fonazioni teoriche e dei concetti di base nell'universo delle Digital Libraries per facilitare l'integrazione della ricerca e di sistemi di sviluppo appropriati.


Azioni

Attività da svolgere Le attività da svolgere sono quelle previste nei vari progetti attivi o approvati e non ancora attivati. Progetti europei in progresso, che si completeranno nel 2009: • MULTIMATCH • CASPAR • SAPIR Nuovi progetti internazionali, iniziati nel 2008: • D4Sience è un progetto IP per il deployment delle infrastrutture sviluppate nei progetti DILIGENT e EGEE a

favore delle comunità scientifiche europee nelle aree di Environmental Monitoring e Fishery Resources Management.

• DRIVER II che prosegue il progetto DRIVER (Digital Repository Infrastructure Vision for European Research) introducendo ulteriori innovazioni verso la Confederazione Europea di Digital Repositories.

• Treble-CLEF (Evaluation, Best Practice and Collaboration for Multilingual Information Access) • BELIEF II (Bringing Europès eLectronic Infrastructures to Expanding Frontiers II) Nuovi progetti internazionali che inizieranno nel 2009: • DL.org (Coordination Action on Digital Library Interoperability, Best Practices, and Modelling Foundations • ERG • European Film Gateway, intende realizzare una soluzione integrata per l'accesso al patrimonio cinematografico

europeo • Europeana – Thematic Network per lo sviluppo della Digital Library per il patrimonio culturale europeo Progetti nazionali in progresso: • NeP4B - Networked Peers for Business (Progetto FIRB • BOSEN – Progetto RSTL del CNR • Cotratti internazionale in progresso: • W3C Office Italy • VCS_ASCRIBE, tra ISTI e Language Logic (USA)

Punti critici e azioni da svolgere Non sono previste particolari criticità sia dal punto di vista progettuale che scientifico. Il trend di evoluzione della commessa, e la sua grande visibilità a livello europeo, garantisce la capacità di raggiungere gli obbiettivi pianificati, almeno nel breve termine. Tuttavia, a medio-lungo termine, la criticità continua a riguardare essenzialmente la necessità di avere e mantenere in maniera stabile personale di ricerca qualificato, con esperienza e preparazione adeguata per proporre ricerche innovative e di gestire progetti di ricerca complessi. Infatti, basarsi sempre più su personale con contratti temporanei, anche per ruoli di ricerca qualificati, rende difficile sia la continuità della ricerca che il mantenimento delle competenze acquisite Occorre sottolineare che avere un gruppo con grande visibilità e competenza scientifica è un pre-requisito nella dura competizione per ottenere progetti internazionali.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze di base provengono dalle seguenti aree scientifiche: Basi di Dati, Information Retrieval, Estrazione e gestione di contenuti multimediali, Rappresentazione della Conoscenza, Apprendimento Automatico, Accesso Multilingue. Su queste conoscenze di base, si sono sviluppate, e vengono continuamente approfondite, le tecnologie e le tecniche di indagine, sia a livello di ricerca che a livello sperimentale, riguardanti le Digital Libraries. Ciò ha lo scopo di sviluppare nuovi strumenti e infrastrutture di supporto, per l'accesso, la gestione, l'arricchimento e la disseminazione di contenuti informativi testuali e multimediali distribuiti.


Strumentazione La strumentazione nel laboratorio della commessa consiste di oltre 70 PC utilizzati come workstation, e circa 20 PC utilizzati come servers sia per attività comuni del laboratorio (server http con siti di progetto e personali, file server) che per progetti specifici (server di sviluppo, test, Demo, software repository).. Inoltre vi sono, fra i vari progetti, 25 server di fascia media dislocati quasi tutti nella sala macchine dell'ISTI, edificio A: quasi tutti sono server Intel,con processore Intel, e Sun con processore Amd, più un server Supermicro, che dispone di 13 TB di storage, fra dischi ridondati, e su cui risiedono i dati per il progetto SAPIR e la test collection Cophir di immagini, e relative features. Più del 80% di questi servers sono basati su sistema operativo Linux, gli altri su Windows XP e Windows XP 2003. Su questi computers sono organizzate le infrastrutture per le sperimentazioni in rete sia Peer-to-peer che Grid.

Tecniche di indagine Nell'ambito della Commessa sono sviluppate tecniche di indagine strutturate per i quattro diversi ruoli individuati per l'interazione con le Digital Libraries: • DL End-Users. Intendono sfruttare le funzionalità delle Digital Libraries per provvedere, usare e gestire i loro

contenuti. • DL Designers. Intendono sfruttare la conoscenza del dominio semantico delle applicazioni, per definire e

mantenere le Digital Libraries in modo da allinearle con le informazioni e le necessità funzionali degli utenti finali.

• DL System Administrators. Selezionano le componenti software necessarie per creare i sistemi per Digital Libraries più adatti per le applicazioni richieste e decidere dove e come effettuare il deployment (messa in opera).

• DL Application Developers. Sviluppano le componenti software dei sistemi per Digital Libraries, realizzando le funzionalità necessarie.

Tecnologie La ricerca, portata avanti nell'ambito della Commessa, indirizzata allo sviluppo di nuovi sistemi di gestione di Digital Libraries, si basa su queste tecnologie: • Information discovery and retrieving • Information interpreting and management • Similarity search on multimedia content • Indexing of multimedia content • Ontology-driven networked multimedia information access • Personalization

Collaborazioni (partner e committenti) La commessa porta avanti numerose collaborazioni con enti di ricerca e industrie italiani ed europei. Tali collaborazioni sono formalizzate nei contratti su progetti esterni a cui la commessa partecipa. Tali collaborazioni attualmente sono 152 in progetti europei e 48 in progetti nazionali. Un numero notevole di queste collaborazioni, 62 tra collaborazioni italiane e europee, è realizzato nella rete di eccellenza europea DELOS (in cui siamo coordinatori). Infatti, uno degli scopi fondamentali della rete è incoraggiare la collaborazioni tra unità di ricerca europee del settore delle Digital Libraries. Esistono poi strette collaborazioni di ricerca, consolidate in vari anni e in vari contesti, con l'Univ. di Pisa, il Politecnico di Milano, l'Univ. di Modena e Reggio E., l'Univ. di Padova, istituti di ricerca europei quali il Max-Planck-Institut e il Fraunhofer (Germania), l'INRIA (Francia), il CWI (Olanda) e varie università europee.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Il reperimento nuovi fondi si orienterà ancora verso progetti esterni, soprattutto a livello europeo, anche se la competizione è sempre più agguerrita. Una maggiore attenzione sarà rivolta verso possibili progetti di trasferimento tecnologico con partner industriali quali la tecnologia di gestione delle biblioteche digitali distribuite, la tecnologia di gestione dei contenuti multimediali, e la tecnologia di classificazione automatica di testi. In particolare, su quest'ultima tematica, è partito nel 2008 un progetto di collaborazione industriale VCS-ASCRIBE tra ISTI e Language Logic, società USA la cui piattaforma software Ascribe è leader mondiale nel settore del software per la gestione di sondaggi di opinione e di ricerca di mercato Nuove proposte di progetti europei sono state sottomesse o sono in fase di preparazione e saranno sottomesse a livello europeo nell'ambito del 7 FP, in cui è esplicitamente prevista la tematica "Digital Libraries and Content". In particolare, alcuni progetti sono stati accettati e saranno attivi nel corso del 2009, in particolare BELIEF II, DL.org, EFG, Europeana.


Finalità

Obiettivi L'obbiettivo generale della commessa è lo sviluppo di tecnologie e strumenti per lo sviluppo di sistemi di gestione di Digital Libraries. Obbiettivi di ricerca più specifici riguardano: • tecnologie di supporto di un ambiente distribuito, basato su tecnologie Peer-to-peer e Grid, per servizi di Digital

Libraries dinamiche; • modelli per la rappresentazione di informazione multimediale e dei relativi metadati, linguaggi di interrogazione

per dati multimediali con metadati XML (e.g. MPEG7), strutture dati e metodi per l'esecuzione efficiente di queste interrogazioni

• tecniche di classificazione automatica di immagini ed applicazione delle tecniche di classificazione automatica dei testi alla codifica automatica di sondaggi e alla generazione automatica di dizionari tematici;

• tecniche automatiche per l'accesso a dati annotati semanticamente secondo una o più ontologie, e per l'integrazione e allineamento di ontologie distribuite su Web;

• creazione di test-suites per il benchmarking di sistemi di multilingual information retrieval, attraverso l'organizzazione di campagne di valutazione.

Risultati attesi nell'anno I risultati attesi nell'anno sono essenzialmente i risultati previsti dai vari progetti di ricerca che finanziano le attività di ricerca della commessa. Nell'ambito di ogni progetto sono previsti diversi risultati o Deliverables (in termini di specifiche tecniche, prototipi, ecc.) da rilasciare alle scadenze pianificate. Per le altre attività di ricerca sono previste pubblicazioni su riviste o a congressi e l'evoluzione dei prototipi di ricerca integrati, intesi a dimostrare la validità dei nostri risultati di ricerca, (MILOS, per la tecnologia di gestione dei contenuti multimediali, OpenDLib, per la tecnologia di gestione delle biblioteche digitali distribuite, VCS per la classificazione automatica dei testi). Tutti questi risultati saranno valutati nei rispettivi contesti: i risultati dei progetti nelle review dei progetti e le pubblicazioni dai revisori di riviste o congressi.

Potenziale impiego - per processi produttivi I risultati delle attività di ricerca svolte nell'ambito della commessa, e supportati da vari progetti con finanziamenti esterni, hanno portato alla realizzazione di prototipi integrati che hanno un potenziale impiego in diversi settori applicativi. In particolare, un potenziale impiego per processi produttivi possono avere il sistema MILOS per applicazioni di gestione di contenuti multimediali, il sistema OpenDLib, per applicazioni di biblioteche digitali e il sistema VCS per la classificazione di testi. La tecnologia MILOS ha possibili applicazioni nel campo del publishing, broadcasting, gestione di documentazione multimediale (immagini, audio/video, testi associati) e composita in ambito industriale e educativo (applicazioni e-Learning). La tecnologia OpenDLib ha applicazione nella gestione documentale in ambito sia industriale che della pubblica amministrazione, istituzioni di ricerca e di salvaguardia del patrimonio culturale, e nella realizzazione di servizi associati. La tecnologia VCS (Verbatim Classification System) permette di analizzare le opinioni, scritte senza vincoli di schemi o scelte preconfezionate, classificando in modo automatico il parere espresso. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Un importante area di impiego delle tecnologie sviluppate dalla ricerca su Digital Libraries è la realizzazione di strumenti per la gestione integrata di biblioteche tradizionali e digitali: POLAR, un prototipo di Biblioteca Digitale per la Scienza e la Tecnica, è stato pensato per il personale di ricerca delle strutture del CNR e per chi si occupa della gestione di una Biblioteca. Consiste nella realizzazione di un portale che riunisce i diversi aspetti della documentazione scientifica. Offre ai ricercatori un punto di accesso facilitato per la ricerca di documentazione scientifica necessaria per il proprio aggiornamento professionale. PUMA è un'infrastruttura software per la gestione degli archivi istituzionali e/o disciplinari della letteratura pubblicata degli Istituti CNR. L'idea è nata dall'esigenza di realizzare un ciclo completo dell'informazione che permetta di realizzare servizi diversi rispondendo alle seguenti necessità: a) rendere i risultati della produzione intellettuale accessibili alla comunità scientifica nel più breve tempo possibile; b) conservare i documenti in formato digitale in sostituzione della versione cartacea; c) creare repertori bibliografici.


Moduli

Modulo: Digital Libraries Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Spatial information in the knowledge society Dati generali

Progetto: Data Mining, Ontologie e Web Semantico Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: GUGLIELMO CRESCI Temi

Tematiche di ricerca La commessa è focalizzata sullo studio e realizzazione di sistemi informativi ivi inclusi quelli orientati al trattamento di informazione geospaziale (GIS) insita in molti fenomeni e attività umane, ampiamente disponibile in forma digitale. Investe le tematiche: • organizzazione ed estrazione dell'informazione e fruizione dovunque (ubiquitous GIS) e per chiunque; • progetto, realizzazione e valutazione di sistemi informativi anche per soggetti portatori di disabilità. Prevede sviluppi applicativi nella progettazione di sistemi per: • il trattamento e la distribuzione di informazione su web, • l'accesso personalizzato della stessa in funzione della posizione, delle potenzialità del terminale e delle esigenze

personali (eventuali disabilità), • studi ambientali e epidemiologici, • studio e applicazione di modelli basati su tecnologia GIS per la gestione dell'informazione in condizioni di eventi

idrogeologici critici.

Stato dell'arte La Scienza dell'Informazione si trova oggi ad affrontare il problema dell'accesso a grandi moli di informazioni eterogenee e distribuite. Nel settore dell'informazione geografica gli sforzi sono pertanto indirizzati alla definizione e alla sperimentazione di metodi, architetture e linguaggi volti a raggiungere l'interoperabilità e la fruizione generalizzata via web di informazione geografica generata in ambiti proprietari. Tra le iniziative di questo tipo sono particolamente rilevanti quelle promosse da: OpenGIS Consortium, INSPIRE, W3C. L'obiettivo comune degli studi è la fruizione personalizzata dell'informazione geografica ovunque e da parte di chiunque. Il raggiungimento di questo obiettivo è preliminare all'incapsulamento di funzioni di informatica geografica in strumenti e servizi di carattere generale. In generale, il problema del filtraggio e della fruizione personalizzata dell'informazione richiede contributi creativi in fase di progettazione e di realizzazione ancora poco noti / praticati dagli sviluppatori di SW commerciale. È quindi utile un contributo di trasferimento di tecnologie in quest'area. Azioni

Attività da svolgere In relazione ai punti citati in "Attività svolte" si prevede: • Att. 1) studi su tecnologie XML (GML e SVG) in conformità con le direttive OpenGIS, W3C e Inspire e

applicazione di queste tecnologie a prototipi di Infrastruttura di Dati Territoriali (IDT) integrati con applicazioni per fruizione personalizzata e sviluppo di servizi Location Based (LBS) mediante tecnologia wireless.

• Att. 2) studi per la misura degli effetti sulla salute di determinati parametri ambientali (inquinamento atmosferico e salute respiratoria), al fine di definire metodologie generali di indagine.

• Att. 3) Progetto di sistemi informativi (alfanumerici e geografici) in collaborazione con ITTIG-CNR (reingegnerizzazione sistema informativo Consiglio Regionale Toscano) e IAMC-CNR (per il sistema informativo di Istituto).

• Att. 4) Trasferimento di conoscenza e applicazioni nel settore servizi Internet e sicurezza informatica. Questa attività originerà una nuova commessa e, pertanto, non farà più capo a questa.

• Att. 5) Continuazione degli studi su modelli dell'informazione idrologica distribuita.


Punti critici e azioni da svolgere Le criticità strutturali sono legate al personale: • anzianità anagrafica e di servizio del personale strutturato (età media dei ricercatori circa 61 anni, minima 59), • precarietà del personale temporaneo (rapporti di collaborazione vari - semestrali o annuali), • mancanza totale di una generazione intermedia, di raccordo tra anziani e personale neolaureato temporaneo. Tutto il personale strutturato maturerà i requisiti di anzianità per lasciare il servizio attivo nell'arco dei prossimi 2 anni. Quindi, in assenza di interventi strategici sul personale, la commessa deve considerarsi ad esaurimento.


Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Esistono interazioni con altre commesse del progetto Data Mining, Ontologie e Web semantico per aspetti legati all'interfaccia utente, alla scoperta di conoscenza, al trattamento del dato spaziale pilotato dalla semantica del dato. IFC-CNR collabora costantemente con GIS & Health e, su specifici progetti, sono coinvolte Amministrazioni locali, ASL e ARPA, IAMC-CNR, IBIM-CNR, ITTIG-CNR. Esiste una rete di collaborazioni con realtà locali (CNA, Imprese, Consorzi) per il trasferimento di conoscenza e la partecipazione congiunta a bandi di finanziamento di attività di ricerca applicata e per l'innovazione.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate La commessa svolge un'intensa azione di trasferimento di conoscenza indirizzata al settore pubblico, in particolare verso amministrazioni centrali (ministeri, Dip. Protezione Civile ed altre amministrazioni) e locali (Regioni, Autorità di Bacino, Province e Comuni), alle realtà scientifiche e a quelle produttive territoriali (CNA, Consorzio Progetto California). Con molti di questi soggetti sono attivi rapporti di collaborazione, consulenze e progetti generalmente scaturiti da partecipazioni congiunte a bandi per il finanziamento di attività scientifiche e tecnologiche. I contatti con le realtà esterne spaziano anche su tematiche estranee alle competenze e allo spettro di azione della Commessa, ma presenti nell'Istituto di afferenza o in altri Istituti CNR (ad esempio IAMC, IFC, ITTIG, IBIM), in un'ottica di area di ricerca e di Ente. Da queste attività di trasferimento la commessa riceve le risorse necessarie a svolgere la propria attività tecnico – scientifica.

Finalità

Obiettivi Studio di tecnologie GIS innovative e applicazioni in svariati settori tramite l'esecuzione di indagini e studi specifici, progetti e prototipi. Trasferimento di conoscenza su: progettazione, realizzazione e valutazione di sistemi informativi alle realtà produttive pubbliche e private nazionali. Supporti informatici all'automazione ambientale anche a favore di utenti con esigenze speciali (disabili, anziani).

Risultati attesi nell'anno • Studio, progettazione e realizzazione prototipale di sistemi informativi geografici per l'ambiente marino con

tecnologie aperte (open source e freeware) conformi alle direttive OGC e Inspire. • Studi sulla metodologia di conduzione di indagini ambientali/sanitarie con approccio geospaziale, affinamento di

tecniche in uso per rendere più affidabili i risultati, generalizzazione dell'approccio valutando gli effetti dell'uso di georeferenziazioni automatiche.

• Progetti di sistemi che sperimentano ed integrano tecnologie innovative per persone con disabilità e anziani, valutazione di sistemi informativi e sistemi informativi web based.

• Sviluppo di software e tecniche di indagine per la gestione dell'informazione spaziale in condizione di eventi idrogeologici critici, con particolare riferimento alle tecniche GIS.

Potenziale impiego - per processi produttivi


- per risposte a bisogni individuali e collettivi Le tecnologie webGIS sono tipicamente trasversali, pertanto si prestano ad essere applicate alla realizzazione di servizi innovativi pubblici e privati la cui diffusione è tuttora penalizzata dalla scarsa conoscenza delle potenzialità tecnologiche e da limiti organizzativi che non consentono di raccogliere ed elaborare informazioni già disponibili. Gli studi GIS & Health costituiscono un supporto a: studio del rischio sanitario, pianificazione territoriale sostenibile, valutazione dell'impatto e del danno ambientale. La metodologia definita dalla commessa è in fase di messa a punto attraverso la sperimentazione con dati reali. Le tecnologie assistive rispondono ai bisogni di specifiche categorie di utenti (affetti da disabilità varie); i limiti di conoscenza delle potenzialità limitano la diffusione e i benefici conseguibili. La progettazione e la valutazione di sistemi informativi è poco praticata dagli operatori di mercato che ricevono contributi essenziali, metodologici e pratici, dalla collaborazione conun Ente super partes dotato delle competenze tecniche e del'esperienza necessarie. Moduli

Modulo: Spatial information in the knowledge society Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Spatial information in the knowledge society Istituto esecutore: G.N. DIFESA CATASTROFI IDROGEOLOGICHE Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Architetture a componenti per sistemi complessi affidabili Dati generali

Progetto: Grid and High Performance Computing Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FELICITA DI GIANDOMENICO Temi

Tematiche di ricerca La commessa ha l'obiettivo principale di contribuire a migliorare lo sviluppo di architetture per sistemi distribuiti impiegati in applicazioni ad elevati requisiti di qualità di servizio. Le tematiche di ricerca riguardano: i) Sviluppare metodi e tecniche per la tolleranza dei guasti ii) Individuare metodi e tools per sviluppare e validare applicazioni software secondo il paradigma service-oriented architecture (soprattutto testing funzionale e non-funzionale), con enfasi su composizionalità e dinamicità). iii) Sviluppare metodologie e strumenti per l'analisi quantitativa di meccanismi, componenti, sistemi e infrastrutture a supporto della progettazione dell'architettura e dei suoi componenti. iv) Sviluppo di metamodelli e metodologie per il paradigma "model driven"; in particolare sarà studiata l'applicabilità di questo paradigma alla progettazione di sistema (hardware/software codesign) per sistemi embedded nel settore automotive. v) Sviluppare una metodologia integrata hardware/software per monitorare ambienti sensorizzati intelligenti, per la supervisione non invasiva e il supporto alle utenze deboli. vi) Sviluppo di algoritmi per il coordinamento di sistemi multi-agent

Stato dell'arte La nostra società dipende fortemente da sistemi di elaborazione interconnessi che controllano, in disparati campi applicativi (finance, banking, insurance, health, commerce, business, government, etc.), le comunicazioni, grandi banche di dati, infrastrutture, servizi. Guardando al panorama futuro, come ad esempio identificato dagli scenari per "Ambient Intelligence" proposti dall'IST Advisory Group [http://www.cordis.lu/ist/istag.htm], dispositivi di calcolo e sensoriali sono sempre più immersi,spesso in modo invisibile, in tutto l'ambiente circostante. La pervasività e ubiquità di tali sistemi pone la necessità di metodi avanzati per garantire livelli adeguati di affidabilità, sicurezza, disponibilità, capacità di sopravvivere ad eventi sfavorevoli. L'attenzione verso problematiche di dependability, adattività e sopravvivenza, affrontate in questa commessa, è sempre crescente nei programmi di ricerca sia nazionali che internazionali. All'interno del programma FP7 della Comunità Europea, queste tematiche sono di rilevante interesse, come ad esempio si evince dalla descrizione degli obiettivi ICT-2007.1.2 e ICT-2007.1.4 del workprogramme. Azioni

Attività da svolgere Le attività di ricerca della commessa proseguiranno nelle direzioni già delineate negli anni precedenti. Esse focalizzano su: • definizione di metodi e tecniche per la tolleranza dei guasti e soluzioni architetturali per migliorare "resiliency" e

"survivability" di sistemi e infrastrutture complessi; • definizione di modelli per l'analisi di sistemi complessi caratterizzati da elevate interdipendenze che propagano

gli effetti dei guasti, quali ad esempio le infrastrutture elettriche; • valutazione quantitativa di misure di dependability/QoS, anche a supporto della progettazione, al fine di

individuare debolezze e colli di bottiglia nella progettazione dello specifico sottosistema in esame, e operare la scelta più appropriata tra diverse possibili alternative;

• sviluppo di metodi e tools per Component-Based Software Engineering e Service-oriented Architectures; • sviluppo di metamodelli e metodologie per il paradigma 'model driven'; • algoritmi di coordinamento di sistemi multiagente. Inoltre, si prevedono nuove attività di ricerca legate ai nuovi progetti acquisiti che partiranno nel 2009. In particolare, il progetto Europeo CONNECT nell'area di ricerca avanzata di sintesi di connettori dinamici per la cooperazione in ambiente eterogeneo (attivo dal 1/2/09) richiede che garanzie di dependability e qualità di servizio siano verificate dinamicamente al momento della sintesi di tali connettori. Ciò sposta drammaticamente l'enfasi dalla tradizionale


verifica off-line verso la verifica on-line; la maggiore difficoltà in questo contesto risiede nell'individuare metodi e tecniche innovativi che siano in grado di fornire la verifica richiesta entro tempi ragionevoli perchè sia utilizzabile.

Punti critici e azioni da svolgere Come già ribadito negli anni precedenti, non si prevedono criticità dal punto di vista delle competenze e delle capacità dei ricercatori coinvolti. Si ribadisce ancora una volta la criticità dal punto di vista dell'adeguatezza delle risorse umane esistenti e della loro presenza nell'arco temporale della vita della commessa e si sottolinea quindi la necessità di un ricambio generazionale e la formulazione di incentivi alla formazione di nuove risorse allo scopo di garantire che le attività proposte possano proseguire in maniera armonica e ottenere i massimi risultati. Si ritiene quindi necessario stabilire rapporti contrattuali di lunga durata (tempo indeterminato o durata almeno quinquennale). Si chiede pertanto che le risorse richieste a carico di fondi interni vengano concesse e in tempi congruenti con l'attività prevista.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze dei partecipanti coprono le metodologie avanzate di modellazione, analisi, verifica, testing, monitoring di sistemi software-intensive. I ricercatori partecipanti hanno maturato esperienza pluriennale di conduzione di progetti di ricerca sulle tematiche della commessa, sia in ambito ai programmi europei che nazionali.

Strumentazione Non si prevede utilizzo di apparecchiature speciali.

Tecniche di indagine La ricerca e la sperimentazione vengono svolte su workstations in rete applicando metodologie di software engineering e software dependability. Vengono utilizzati ambienti di sviluppo e strumenti di analisi accademici, sviluppati in proprio da ricerche precedenti o dalla comunità scientifica di riferimento. Si ricorre generalmente, ove disponibili, a metodologie e ambienti open-source, come Eclipse.

Tecnologie • Metodologie di modellazione e specifica di software come UML, XML. • Modelli stocastici e relativi formalismi (quali Petri nets, catene di Markov, SAN). • Approcci analitici, simulativi e sperimentali. • Modelli concettuali e metamodelli UML. • Standard WS*, quali WSDL, SOAP, BPEL. • Macchine a stati. • Testing black box e white box.

Collaborazioni (partner e committenti) ISTC-Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione - (modulo di questa commessa) Dip. di Sistemi e Informatica, Univ. Firenze Dip. di Ingegneria dell'Informazione e Dip. di Informatica, Univ. Pisa Dip. di Informatica, Univ. L'Aquila Scuola Sant'Anna (Pisa) Gruppo di Psicologia Ambientale dell'ISTC (Roma) Partners dei seguenti Progetti: IST-FP6-STREP-027513 CRUTIAL "Critical Utility Infrastructural Resilience"; FET-FP7-IP-231167 CONNECT "Emergent Connectors for Eternal Software Intensive Networked Systems" TST5-CT-2006-031413 SAFEDMI "Safe Drive Machine Interface for ERTMS Automatic Train Control" IST-FP7-IP-216287 TAS3 "Trusted Architecture for Securely Shared Services" FIRB ART-DECO a cui la commessa partecipa come sottocontraente della Scuola Superiore S. Anna. Prin MIUR 2007 D-ASAP "D-ASAP: Architetture Software Adattabili e Affidabili per Sistemi Pervasivi". I partners di questi progetti sono numerose realtà scientifiche e industriali nazionali ed europee.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Proseguirà la ricerca e l'approfondimento di rapporti con potenziali partner industriali ed accademici italiani e stranieri per lo sviluppo di nuove proposte di progetti di ricerca congiunti, da proporre ad enti finanziatori sia nazionali (esempio, a livello di iniziative promosse dalla Regione o Provincia) che europei (Framework 7 della EU, PRIN etc).


Finalità

Obiettivi Contribuire a migliorare lo sviluppo di architetture per applicazioni ad elevati requisiti di dependability, attraverso lo studio di: a) Metodi e meccanismi per la fault tolerance e riconfigurazione dinamica; b) Definizione di un processo efficiente e rigoroso per lo sviluppo, la manutenzione, la validazione e l'evoluzione di architetture e sistemi a servizi; c) Metodologie, tecniche e tools per la valutazione precoce di conformità dell'architettura ai requisiti funzionali e non-funzionali; d) Prototipi e benchmarks, come dimostratori di specifiche metodologie e meccanismi

Risultati attesi nell'anno • Meccanismi per la diagnosi distribuita on-line e riconfigurazione dinamica dell'architettura di sistema. • Metodologie per la modellizzazione e soluzione di sistemi complessi, che tengano conto delle interdipendenze tra

i sottosistemi coinvolti. • Metodologie e tecniche per la valutazione probabilistica on-line di attributi di dependability • Analisi quantitativa di meccanismi/protocolli. • Trasformazioni automatiche da linguaggi di specifica di sistemi a tools per l'analisi quantitativa di dependability • Metodologie e strumenti per il testing di componenti e a livello architetturale • Strumenti avanzati per la valutazione composizionale di prestazioni. • Metodologie e strumenti per il design a livello di sistema di sistemi embedded, in particolare 'network processor',

e la valutazione precoce di attributi prestazionali. • Applicazioni avanzate dei paradigmi a componenti • Algoritmi di coordinamento di sistemi multiagente.

Potenziale impiego - per processi produttivi L'attività tende a fornire gli strumenti teorici e le linee guida per l'implementazione di soluzioni per la produzione di sistemi software-intensive robusti e ad alta qualità di servizio. Industrie nei settori critici e tecnologicamente avanzati, ad esempio dei trasporti, telecomunicazioni, la pubblica amministrazione, servizi di supporto alla salute o finanziari, costituiscono il target per i risultati della ricerca proposta. Apparati vitali per il funzionamento dei sistemi possono beneficiare delle soluzioni individuate per la tolleranza dei guasti, della definizione di un processo di sviluppo, manutenzione ed evoluzione di architetture efficiente e rigoroso, di metodologie, tecniche e tools per la valutazione precoce di conformità dell'architettura ai requisiti. I ricercatori coinvolti nella commessa sono impegnati nell'instaurare collaborazioni fattive con entità industriali, sia per acquisire in modo diretto le problematiche di maggiore interesse in ambito produttivo, che per trasferire le conoscenze e i risultati ottenuti. Ericsson Lab Italy, Motorola Italy e Ansaldo ASF sono molto interessate alle attività della commessa. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La correttezza e qualità di servizio dei sistemi di calcolo predisposti alla supervisione e controllo di attività critiche (e.g. in ambito trasporti, nucleare, salute, finanziario, etc..), hanno enormi implicazioni sulla vita umana, l'ambiente, l'economia. La problematica è resa ancora più difficile dal fatto che questi sistemi diventano sempre più complessi, eterogenei, aperti e con forti interdipendenze. Si intende contribuire a definire metodi e tecniche per la costruzione di software robusto da impiegare in applicazioni con elevati livelli di criticità, al fine di mitigare il rischio di conseguenze disastrose che possono derivare da potenziali fallimenti. Gli interventi previsti riguardano sia la progettazione architetturale del sistema, che metodi di analisi precoce, al fine di operare le scelte ottimali e di correggere in modo tempestivo deficienze di progettazione. La scelta di aderire il più possibile a modelli/paradigmi architetturali emergenti nel settore dell'ingegneria dei sistemi (ad es. il paradigma CBSE o SOA) è tesa a promuovere la massima diffusione dei risultati ottenuti, e a sfruttare al meglio le più avanzate infrastrutture tecnologiche attualmente disponibili. Moduli

Modulo: Architetture a componenti per sistemi complessi affidabili Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Architetture a componenti per sistemi complessi affidabili Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie della cognizione Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Tecnologie avanzate, Sistemi e Servizi per Grid Dati generali

Progetto: Grid and High Performance Computing Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: RAFFAELE PEREGO Temi

Tematiche di ricerca Il gruppo di ricerca afferente alla commessa ha l'obiettivo di investigare vari settori dell'High Performance Computing. Le tematiche di ricerca sono unificate dall'enfasi posta su efficienza e scalabilità delle soluzioni e degli algoritmi proposti. In maggior dettaglio le principali tematiche considerate sono: • Grid operating system, modelli di programmazione, soluzioni per la scoperta ed orchestrazione di servizi; • sistemi P2P per Resource Discovery e gestione ed analisi di dati; • soluzioni multi-criterio per lo scheduling di job su piattaforme di calcolo distribuite ed eterogenee.; • algoritmi scalabili per Data e Web Mining con particolare attenzione all'interazione dell'algoritmo con

l'architettura di calcolo sottostante; • algoritmi per migliorare efficacia e/o efficienza di sistemi per Web Information Retrieval, con particolare

attenzione a tecniche di caching ed a soluzioni che sfruttano conoscenza estratta dai log di uso dei sistemi stessi; • Stream computing su architetture emergenti; • soluzioni per la localizzazione e selezione di fornitori di servizi; • approcci basati su QoS per la schedulazione di workflow di serviz.

Stato dell'arte Il calcolo ad alte prestazioni, le tecnologie P2P e Grid, gli algoritmi efficienti e scalabili sono al giorno d'oggi strumenti preziosi ed indispensabili per gestire il crescente numero di utenti, oggetti, servizi e infrastrutture critiche interconnesse attraverso Internet, ed analizzare le enormi quantità di dati prodotti quotidianamente da queste entità nella moderna società dell'informazione. Un indicatore importante di questa importanza si può considerare il gran numero di progetti nel settore finanziati negli anni scorsi all'interno dei programma quadro della Comunità Europea, e il crescente numero di lavori su tematiche di efficienza e scalabilità pubblicati nelle principali conferenze e riviste scientifiche di Computer Science. L'obiettivo della ricerca in questo settore è di migliorare l'impatto delle ICT nel sistema economico del paese, e di giocare un ruolo importante nell'avanzamento delle conoscenze. In un prossimo futuro, crediamo che l'importanza dei dati e della loro gestione ed analisi efficiente e scalabile mediante sistemi paralleli e/o distribuiti ed algoritmi ad alte prestazioni possa solo aumentare e pervadere un cresente numero di servizi ed applicazioni. Azioni

Attività da svolgere Nell'anno 2009 continueranno le attività del personale afferente alla commessa all'interno dei seguenti progetti finanziati dalla comunità europea: 1. S-Cube project (NOE): Software Services and Systems Network(2008-2012). Seventh Research Framework Programme (FP7). Contract No 215483. 2. Sapir project (STREP): Search on Audio-visual content using Peer-to-peer Information Retrieval (2007-2009). Sixth Research Framework Programme (FP6). Contract No 45128. 3. XtreemOs project (IP): Building and Promoting a Linux-based Operating System to Support Virtual Organizations for Next Generation Grids (2006-2010). Sixth Research Framework Programme (FP6). Contract No. 033576. 4. GridComp project (STREP): GRID programming with COMPonents: an advanced component platform for an effective invisible grid (2006-2009). Sixth Research Framework Programme (FP6). Contract No 034442 e nei progetti nazionali: CNR RSTL Project: Resource Discovery in Large Collaborative Networks (2008-2009), e Progetto FIRB/PNR Insyeme. Dal punto di visto delle attività più strettamente di ricerca non si prevedono sostanziali modifiche delle tematiche investigate se non una maggiore attenzione al settore P2P nell'ambito di collaborazioni con EPFL di Losanna e ICAR-CNR. In caso di esito positivo di due proposte di progetto presentate, la commessa dovrà investire risorse nel campo dei sistemi di raccomandazione location-aware.

Punti critici e azioni da svolgere La scarsità di opportunità per i giovani ricercatori/tecnologi precari di partecipare a concorsi CNR per posti a tempo indeterminato. Questo problema provoca la perdità di importanti risorse umane che si sono formate nell'ente e,


proprio quando avrebbero potuto dare il massimo contributo scientifico, sono state costrette a cercare soluzioni lavorative più stabili in laboratory di ricerca esteri o nell'industria. Conseguenza di questo problema è la necessità di sopperire alla mancanza di opportunità istituzionali con contratti temporanei gravanti sui fondi di progetto e il conseguente peso eccessivo delle attività di procacciamento dei fondi vitali per la sopravvivenza della commessa, rispetto alle attività scientifiche. Inoltre si lamenta la pressochè totale mancanza di supporto dell'Istituto per le attività di rendicontazione dei progetti, in particolare europei, con conseguente necessità di dotarsi di personale a contratto (contratti a progetto) a cui demandare questo gravoso e importante compito. Altra mancanza è quella di supporto giuridico/amministrativo/legale, da parte dell'Istituto e dell'Ente, per le fasi di predisposizione dei Contract Agreement e degli Annex I dei progetti europei.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Come testimoniato dalle pubblicazioni scientifiche dei partecipanti a questa commessa, le principali competenze tecnico-scientifiche ricadono nelle seguenti tematiche di ricerca: • Adaptive, Autonomic and Pervasive Middleware • Emerging computer architectures • Grid and P2P Resource Discovery and Information services • Job scheduling and Grid-aware operating systems • Large-scale data management • Parallel and Distributed Information Retrieval Systems; • Query Log analysis and Mining • Scalable Data Mining algorithms • Service-Oriented Knowledge Utilities Competenze di base comuni a tutti i ricercatori della commessa riguardano la conoscenza dei paradigmi di programmazione concorrente, le architetture ed i sistemi operativi, gli algoritmi e le strutture dati, le metodologie di programmazione parallela e distribuita, le applicazioni web, la gestione efficiente di dati.

Strumentazione La commessa svolge prevalentemente attività di ricerca e progettuale, e non utilizza particolari attrezzature fatta eccezione per due piccoli sistemi di tipo cluster usati per la prototipazione e lo sviluppo di software parallelo e distribuito. Per le attivita di ricerca e sviluppo si utilizzano anche computer server e workstation personali di vario tipo. Il software di base è corredato di ambienti di sviluppo allo stato dell'arte e software specialistico per la programmazione parallela. Il software di base e gli ambienti di sviluppo utilizzati sono prevalentemente Open Source.

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine utilizzate per la comprensione di fenomeni sono principalmente metodi analitici che richiedono conoscenze principalmente matematico, statistiche ed algebriche. Sono usate anche metodologie di validazione sperimentale atte a misurare indici di qualità o prestazione utilizzando, quando possibile, banchmark riconosciuti dalla comunità scientifica. Frequente è l'analisi di sistemi software distribuiti sulla base di conoscenze di teoria dell'Informazione. Dimostratori su specifici casi di studio vengono realizzati all'occorrenza. Nello sviluppo di applicazioni complesse si segue il processo standard che va dalla comprensione del problema, alla progettazione top-down della soluzione, alla sua implementazione, e verifica, fino alla messa in opera.

Tecnologie Nello sviluppo di nuovi algoritmi si impiegano ambienti di programmazione allo stato dell'arte principalmente nella famiglia dei linguaggi C/C++ e Java e loro estensioni per la gestione del parallelismo e della concorrenza. Grande importanza hanno anche i linguaggi di scripting quali Perl, Phyton, gli application server quale Tomcat e IBM WebSphere, protocolli di comunicazione sincroni e asincroni basati su tecnologie SOAP/XML-RPC, linguaggi di descrizione di servizi quali WSDL.


Collaborazioni (partner e committenti) - AGENZIA SPAZIALE ITALIANA (ASI) - BRITISH TELECOMMUNICATIONS PLC (UK) - CETIC, BELGIUM - CONSORZIO NAZIONALE INTERUNIVERSITARIO PER LE TELECOMUNICAZIONI (CNIT) - DATAMAT S.P.A. (IT) - EPFL, SWITZERLAND - EUROPAEISCHES MICROSOFT INNOVATIONS CENTER GMBH (DE) - EUROPEAN CONSORTIUM FOR INFORMATICS AND MATHEMATIC (ERCIM), FRANCE - FONDAZIONE CRUI - FORSCHUNGSZENTRUM JUELICH GMBH, GERMANY (DE) - FRENCH NATIONAL RESEARCH COUNCIL (CNRS), FRANCE - FUJITSU LABORATORIES OF EUROPE LIMITED (UK) - GOOGLE RESEARCH LAB, BOSTON - GRID SYSTEMS S.A. (ES) - HEWLETT PACKARD ITALIANA SRL (IT) - IBM, HAIFA RESEARCH LAB, ISRAEL - IBM, T.J. WATSON RESEARCH LAB, NT, USA - INRIA, FRANCE - ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE (INFN) - MAX PLANK INSTITUTE, GERMANY - MU-BRNO UNIVERSITY, CZECH - NEC EUROPE LTD.(UK) - QUEEN'S UNIVERSITY OF BELFAST (UK) - RUTHERFORD APPLETON LABORATORY (CCLRC), UK - SAP AGDET-SYSTEMS INTERNATIONAL GMBH, GERMANY - SUN MICROSYSTEMS BOSTON, USA - SVARIATE UNIVERSITÀ ITALIANE (VENEZIA, COSENZA, MILANO, PISA, ROMA) - TELEFONICA, MADRID - UNIVERSITY OF STUTTGART (DE) - UNIVERSITY OF CYPRUS ( UCY), CYPRUS - UNIVERSITY OF DORTMUND (UNI DO), GERMANY - UNIVERSITY OF EDINBURGH (UK) - UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON (UK) - VRIJE UNIVERSITEIT (VUA) NETHERLAND - XEROX, FRANCE - YAHOO! RESEARCH LAB, BARCELONA, SPAIN - ZUSE INSTITUTE BERLIN (ZIB), GERMANY - UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON (UK) - IMPERIAL COLLEGE (UK) - UNIVERITAT POLITECNICA DI CATALUNYA (ES) - UNIVERSIDAD FEDERAL DE RIO DE JANEIRO (BR) - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI "FEDERICO II" (IT)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Il portafoglio di progetti 2009 della commessa è sufficentemete ricco e veriegato, comprendendo progetti sia in FP6 che FP7, un progetto CNR RSTL, e un progetto nazionale in fase conclusiva. Conseguentemente, si prevede che le iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate siano proporzionalmente ridotte a favore della produttività scientifica. A tal riguardo si segnala che, nei mesi centrali del 2008, la commessa ha partecipato alla predisposizione di una proposta per il bando Industria 2015, e che negli ultimi mesi dell'anno sta preparando la partecipazione ad una collaborazione finanziata dall'EPFL di Losanna, e ad una proposta di progetto per un bando finanziato dalla regione toscana. Infine, si è iniziato a lavorare alla formazione di consorzi per la partecipazione alle due call FP7 in programma nel 2009.


Finalità

Obiettivi L'obiettivo della commessa è l'innovazione nello sviluppo di sistemi ed algoritmi per la soluzione di problemi di larga scala mediante calcolo ad alte prestazioni. Obiettivi più specifici riguardano l'avanzamento delle conoscenze nei seguenti settori di ricerca: Adaptive, Autonomic and Pervasive Middleware for Grid and P2P, Emerging computer architectures, Grid and P2P Resource Discovery and Information services, Job scheduling and Grid-aware operating systems, Large-scale data management, Parallel and Distributed Information Retrieval Systems, Query Log analysis and Mining, Scalable Data Mining algorithms, Service-Oriented Knowledge Utilities, meccanismi e protocolli di comunicazione per la localizzazione dinamica dei (fornitori di) servizi e la loro scoperta e reperibilità su Internet. La ricerca sviluppata è finanziata mediante la partecipazione a progetti nazionali ed europei. Obiettivi della commessa sono quindi anche la disseminazione dei risultati attraverso la partecipazione a progetti industriali e le attività di formazione.

Risultati attesi nell'anno I risultati attesi nell'anno sono essenzialmente i risultati previsti dai vari progetti di ricerca che finanziano le attività di ricerca della commessa. Nell'ambito di ogni progetto sono previsti Deliverables (in termini di specifiche tecniche, prototipi, ecc.) da rilasciare alle scadenze pianificate. Per le altre attività di ricerca sono previste pubblicazioni su riviste o a congressi e l'evoluzione dei prototipi di ricerca, intesi a dimostrare la validità dei nostri risultati di ricerca. Tutti questi risultati saranno valutati nei rispettivi contesti: i risultati dei progetti nelle review dei progetti e le pubblicazioni dai revisori di riviste o congressi.

Potenziale impiego - per processi produttivi In un prossimo futuro, l'importanza dei dati e della loro gestione ed analisi efficiente e scalabile mediante sistemi paralleli e/o distribuiti ed algoritmi ad alte prestazioni potrà solo aumentare e pervadere un crescente numero di servizi, processi ed applicazioni che avranno un impatto sempre maggiore nelle attività produttive, commerciali ed economiche. La possibilità di accedere e aggregare una vasta quantità di servizi nell'Internet di nuova generazione faciliterà l'interazione e potenzierà la collaborazione dei diversi soggetti coinvolti in attività produttive e commerciali. Queste tecnologie avranno uno sviluppo particolarmente accelerato anche in conseguenza del progresso tecnologico nel campo dei microprocessori che già ora integrano in un solo chip fino ad otto core indipendenti e paralleli, e promettono di supportare con livelli di prestazione elevatissimi servizi avanzati e complessi anche su dispositivi mobili. I risultati delle attività di ricerca svolte all'interno della commessa, e supportati da numerosi progetti con finanziamenti esterni, hanno portato alla realizzazione di prototipi che hanno un potenziale impiego in diversi settori applicativi. - per risposte a bisogni individuali e collettivi In questi anni il numero di utenti, oggetti, servizi e infrastrutture critiche interconnesse attraverso Internet cresce rapidamente e la comunità europea, attraverso l'iniziativa di "Future Internet", tenta di rafforzare e guidare questa dinamica con lo scopo di mantenere e migliorare la competitività europea nel mercato globale. Le competenze della commessa relative alla gestione ed analisi efficiente e scalabile di grandi quantità di dati generati nei più svariati ambiti, dalle simulazioni scientifiche fino alle attività individuali quotidiane, sono centrali in questo contesto e permettono alla commessa di giocare un ruolo attivo anche da un punto di vista progettuale. Una maggiore disponibilità di servizi in Internet risponderà da una parte a una crescente domanda di servizi da parte del cittadino verso la PA, del consumatore verso le aziende, etc. Dall'altra una maggiore presenza di fornitori di uno stessa tipologia di servizio potrà risultare in una maggiore competitività che potrebbe risultare in un'offerta diversificata, e di maggiore qualità a costi più vantaggiosi per la collettività di utenti. Moduli

Modulo: Tecnologie avanzate, Sistemi e Servizi per Grid Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Meccanismi per la gestione di servizi in sistemi service-oriented Istituto esecutore: Istituto di cibernetica "Edoardo Caianiello" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Valutazione di sistemi software intensivi Dati generali

Progetto: Grid and High Performance Computing Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FABRIZIO FABBRINI Temi

Tematiche di ricerca • Definizione e sviluppo di modelli, metodi e strumenti per la valutazione delle caratteristiche di qualità del

prodotto software, il testing di sistemi software, la valutazione del processo software, l'analisi di requisiti software di famiglie di prodotti.

• Metodi e strumenti per la specifica, verifica e testing di proprietà funzionali ed extra-funzionali di architetture software dinamiche

• Certificazione di software e di sistemi dipendenti dal software. • Valutazione di attributi di qualità di prodotti software. • Valutazione e miglioramento del processo di sviluppo software. • Analisi e valutazione di requisiti software e di sistema. • Attività di normazione e standardizzazione. • Road-map di riferimento per lo sviluppo dei processi software del prossimo futuro.

Stato dell'arte La certificazione riveste un ruolo rilevante: - a supporto delle politiche commerciali volte alla conquista di nuovi mercati e al consolidamento di quelli tradizionali; - per la verifica dei livelli di qualità di beni e servizi sempre più basati su tecnologie informatiche: la certificazione può assumere oggi un'importanza addirittura strategica nell'ambito dell'Information Technology (IT), che pervade di fatto la quasi totalità dei beni e servizi. La prova, la validazione rispetto a requisiti e la certificazione di prodotti e servizi della tecnologia dell'informazione rappresenta quindi un mezzo per venire incontro alle esigenze più diverse, latenti ed esplicite, in tutti i settori: • Esigenza degli utenti diretti e degli utenti finali di avere soddisfatte le proprie aspettative; • Esigenza dei fornitori di assicurare (e vedere riconosciuta) la qualità di prodotti e servizi in uno scenario di libera

circolazione dei prodotti; • Esigenza degli enti pubblici di disporre di strumenti idonei alle proprie funzioni. Azioni

Attività da svolgere • Definizione di modelli, metodi e strumenti per la valutazione del software, negli aspetti di processo e di prodotto

e dei requisiti software. • Applicazione dei risultati relativi al processo e ai requisiti nel settore trasporti (ferroviario e automotive in

particolare). • Applicazione dei risultati relativi al prodotto nella certificazione di apparecchiature fiscali (Registratori di cassa e

sistemi di biglietteria automatizzata). • Applicazione dei risultati relativi al prodotto nella valutazione e/o certificazione di siti web. • Testing di conformità a specifiche standard e profili applicativi. • Partecipazione a organismi internazionali per la definizione di standard nel campo dell'ingegneria del software. • Erogazionedi servizi di formazione nei settori dell'ingegneria del software riguardanti la qualità del SW.


Punti critici e azioni da svolgere Oltre ai punti critici di carattere generale, riassumibili nell'assenza di ricambio generazionale e di incentivi alla formazione, che mettono a rischio la continuità sia delle attività di ricerca che di trasferimento tecnologico, per quanto riguarda più specificamente le fonti di finanziamento esterne si evidenzia quanto segue: L'attività nel settore della valutazione di processo si svolge quasi esclusivamente nel settore automotive, ed è legata principalmente ad un contratto di collaborazione con Fiat Auto. Per evitare la dipendenza di questa attività da un unico committente, si dovrebbe: 1) ampliare il numero di clienti del settore automotive (per quanto possibile, essendo Fiat di fatto l'unico costruttore italiano, ed essendo il resto dell'industria automobilistica europea concentrata in Germania); 2) Estendere l'attività relativa alla valutazione di processo anche a settori diversi dall'automotive; 3) Intervenire sui singoli fornitori, contribuendo al miglioramento del loro processo di sviluppo software per aumentarne la competitività (lo stiamo già facendo, anche se i fornitori software in campo automobilistico con l'eccezione di Magneti Marelli - sono comunque pochi e di piccole dimensioni. L'attività nel settore della valutazione di prodotto può essere estesa ad altri settori (p. es. quello medicale, dove sono stati già presi contatti con l'AOU di Pisa per una collaborazione con Unità Operativa di Medicina del Lavoro volta alla certificazione delle cartelle cliniche).

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze del personale impegnato nella commessa derivano essenzialmente dai settori dell'ingegneria del software. In particolare, da oltre 20 anni opera a livello nazionale e internazionale il System and Software Evaluation Centre (centro di trasferimento tecnologico dell'ISTI-CNR, con sede a Pisa), che ha iniziato l'attività nel 1984 come organismo incaricato della certificazione degli apparecchi misuratori fiscali per conto del Ministero delle Finanze e che oggi estende il suo campo di attività a: • Valutazione e certificazione di prodotto (tra cui misuratori fiscali, sistemi di biglietteria automatizzata,

componenti elettronici per autoveicoli, software per applicazioni bancarie); • Valutazione e miglioramento delle capacità tecnologiche delle aziende produttrici di software (settore

automobilistico, ferroviario, energia); • Partecipazione ad organismi nazionali ed internazionali di standardizzazione. Tale competenza ha fatto del Centro un importante punto di riferimento nella realtà locale, e gli ha conferito una connotazione unica nel contesto nazionale (tra i destinatari delle attività del Centro: FIAT Auto, AdE, Autostrade per l'Italia, Finmeccanica, Magneti Marelli).

Strumentazione Strumentazione di tipo convenzionale (desktop computer e computer portatili).

Tecniche di indagine Per quanto concerne la valutazione di processo software, le tecnologie e le tecniche di indagine impiegate fanno riferimento a metodologie standard di riferimento (ISO/IEC 15504, ISO/IEC 12207, CMMI, SPICE, Automotive SPICE). Per quanto concerne la valutazione e certificazione di prodotto software, le tecnologie e le tecniche di indagine impiegate si basano su metodi e modelli derivati da standard (ISO/IEC 9126, ISO/IEC 14598) e riferimenti normativi.

Tecnologie Per quanto concerne la valutazione di processo software, le tecnologie e le tecniche di indagine impiegate fanno riferimento a metodologie standard di riferimento (ISO/IEC 15504, ISO/IEC 12207, CMMI, SPICE, Automotive SPICE). Per quanto concerne la valutazione e certificazione di prodotto software, le tecnologie e le tecniche di indagine impiegate si basano su metodi e modelli derivati da standard (ISO/IEC 9126, ISO/IEC 14598) e riferimenti normativi.


Collaborazioni (partner e committenti) • Fiat Group Automobiles: la collaborazione, ormai pluriennale, si svolge con più obiettivi: 1) determinazione e miglioramento del livello di capacità dei fornitori software: questa attività nclude il monitoraggio di progetti software tramite Software Process Assessment e valutazione di workproduct intermedi 2) creazione di un processo di sviluppo software interno a Fiat Auto (definizione, establishment e deployment). • Software Engineering Institute (Carnegie Mellon University, Pittsburgh): la collaborazione riguarda

principalmente l'ingegneria dei requisiti e la partecipazione all' International Process Research Consortium (definizione di una roadmap per il processo software).

• Agenzia delle Entrate: fin dal 1984 l'istituto ha l'incarico, da parte del Ministero delle Finanze, di certificare la conformità del software e dei sistemi fiscali a standard specifici e alle norme di legge. Ricadono nell'ambito di questo incarico le attività svolte per certificare la conformità di registratori di cassa, POS e sistemi di biglietteria elettronica.

• Partecipazione al progetto PRIN 2007 D-ASAP: Architetture Software Adattabili e Affidabili per Sistemi Pervasivi, coordinatore Prof. Ghezzi, Politecnico di Milano.

• Partecipazione nello Special Interest Group on Automotive e alla relativa attività di standardizzazione (Automotive SPICE).

• Partecipazione nel Management Board di INTRSA, organismo no profit per la qualificazione degli assessor SPICE.

• Partecipazione al Comitato Scientifico dell'Associazione ITA-STQB (ITAlian Software Testing Qualifications Board) per la certificazione delle competenze nel Software Testing in conformità con le procedure internazionali definite dallo International Software Testing Qualifications Board (ISTQB)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si individuano le seguenti iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate, anche nell'ottica di fare fronte ai punti critici precedentemente sottolineati: • Estensione delle attività di valutazione del prodotto alla valutazione di siti web. • Accreditamento per le attività di ispezione software relative alla valutazione/certificazione di processo/prodotto

presso un organismo di accreditamento riconosciuto da uno schema di accreditamento internazionale (SINCERT) • Partecipazione all'iniziativa Automotive SPICE • Partecipazione ai gruppi di lavoro per la definizione di standard internazionali nel settore dell'Ingegneria del

Software (ISO/IEC JTC1/SC7), in particolare al WG10 (Software Process Assessment) che copre anche aspetti legati alla Safety, ritenuta cruciale per la competitività nel settore trasporti e automotive in particolare.

Finalità

Obiettivi • Definizione e sviluppo di modelli, metodi e strumenti per la valutazione delle caratteristiche di qualità del

prodotto software. • Definizione e sviluppo di metodi e strumenti per il testing di sistemi software-intensivi, a partire da descrizioni

architetturali e ad alto-livello in UML. • Definizione e sviluppo di modelli, metodi e strumenti per la valutazione del processo software. • Sviluppo di modelli di qualità e di metodi di valutazione per i requisiti software di famiglie di prodotti. • Sviluppo di modelli di qualità e metodi di valutazione per le caratteristiche dei siti web.

Risultati attesi nell'anno • Sviluppo di strumenti prototipali e definizione di test suite per testing di conformità. • Sperimentazione e messa a punto del modello di riferimento per la valutazione del processo software nel settore

automotive (partecipazione all'iniziativa Automotive SPICE). • Partecipazione al processo di valutazione dei fornitori secondo la metodologia per la selezione dei fornitori

software definita in collaborazione con Fiat Auto. • Continuazione della sperimentazione dello strumento Quars (per l'analisi dei requisiti in linguaggio naturale)

nell'ambito di case study di origine induatriale (anche in collaborazione con CMU-SEI) volta all'offerta di un servizio all'esterno.

• Definizione di una politica per la gestione dei progetti software, basata sulla valutazione sia del processo di sviluppo che delle caratteristiche di qualità dei work product intermedi, e volta al miglioramento della qualità dei prodotti software risultanti dai progetti e alla gestione del rischio associato al fornitore, da sperimentare in una applicazione industriale (contratto di collaborazione con Fiat Auto)

• Sperimentazione del modello per la valutazione della qualità dei siti web

Potenziale impiego - per processi produttivi Le ricadute industriali possono essere di notevole portata:


• Le aziende, in particolare quelle di piccole e medie dimensioni (SME), possono utilizzare la valutazione del processo di sviluppo software allo scopo di migliorare il proprio processo produttivo (in termini sia quantitativi che qualitativi) e la qualità del prodotto finale, con incremento della competitività globale.

• Le aziende che acquisiscono software all'esterno per produrre prodotti finali in cui la componente software, seppur non evidente, costituisce un elemento determinante per la qualità offerta all'utente, (p. es. industria automobilistica, settore elettromedicale, software embedded in generale) possono utilizzare la valutazione del processo di sviluppo software per determinare il livello di capacità (secondo modelli e metodi condivisi) del fornitore e utilizzare questa informazione nel meccanismo di selezione.

- per risposte a bisogni individuali e collettivi Nel contesto dell'attività di valutazione e certificazione dei processi e dei prodotti dell'area ICT, i risultati sono volti a fornire, su basi scientifiche, la confidenza che le tecnologie impiegate nei processi e nei prodotti rispondano a chiari requisiti di qualità e affidabilità, in riferimento a leggi, norme nazionali e internazionali, e requisiti stabiliti dall'utente. Il mercato sul quale è attualmente significativa la ricaduta di queste attività include: sistemi per il controllo di autoveicoli; • applicazioni bancarie; • apparecchi elettromedicali; • applicazioni web; • applicazioni per la Pubblica Amministrazione; • apparecchi misuratori fiscali (certificazione di conformità di registratori di cassa, POS e sistemi di biglietteria

automatizzata). Moduli

Modulo: Valutazione di sistemi software intensivi Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Metodi e Strumenti per la Progettazione di Sistemi Software-Intensive ad Elevata Complessità Dati generali

Progetto: Grid and High Performance Computing Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: STEFANIA GNESI Temi

Tematiche di ricerca • Studio e sviluppo di estensioni stocastiche di linguaggi di specifica formale. • Studio e definizione di logiche temporali e stocastiche basate su stati ed azioni. • Sviluppati strumenti di verifica per le logiche di cui sopra. • Verifica formale di proprietà funzionali e non funzionali su sitemi basati su servizi web, su protocolli di

Groupware e di sicurezza. • Sviluppo di metodi automatici di generazione di specifiche formali per sistemi di segnalamento ferroviario. • Estensione delle funzionalità di strumenti già disponibili per l'analisi di requisti espressi in linguaggio naturale. • Sviluppo della teoria dei team automata e di logiche ad essi associate.Studio e definizione di metodologie e

tecniche per il progetto e la prototipazione rapida di sistemi s/w sicuri. • Analisi e studio delle tecniche semi-formali di analisi e verifica del software sorgente. • Integrazione di diverse tecniche formali e semi-formali, applicate a progetti di grandi dimensioni, che richiedono

un approccio multidisciplinare, quali infrastutture h/w e s/w distribuite geograficamente. • Studio e definizione di linguaggi formali basati su automi a stati finiti e logiche temporali.

Stato dell'arte I metodi formali, cioè linguaggi, tecniche e strumenti (software) basati su solide teorie matematiche per la specifica e l'analisi di modelli di sistemi, giocano un ruolo primario nella ingegnerizzazione di sistemi software complessi, in particolare in quelli che prevedono interazioni tra tali sistemi e gli esseri umani. I metodi formali costituiscono un irrinunciabile strumento per la progettazione e lo sviluppo di sistemi affidabili complessi e possono essere usati come misura complementare di controllo di qualità e per rilevare inconsistenze, ambiguità, incompletezze e vari altri difetti dei progetti dei sistemi nelle prime fasi del loro sviluppo. Recentemente molti sono stati gli avanzamenti nella definizione di linguaggi, tecniche e strumenti (software) formali ideonei alla specifica, analisi e verifica di sistemi concorrenti e distribuiti ed anche lo loro applicazione in contesti produttivi indutriali si è diffusa soprattutto nella progettazione di sistemi critici, protocolli di comunicazione, sistemi real-time, interazione uomo-macchina, protocolli di sicurezza e nella progettazione di hardware.


Azioni

Attività da svolgere Applicazione delle tecniche di estensione stocastica sperimentate sui linguaggi basati su CCS a linguaggi e calcoli per Service Oriented / Mobile Computing. Applicazione di trasformazioni da process algebra a ODE per l'analisi di sistemi ad alto parallelismo. Studio di algoritmi di model-checking stocastico on-the-fly. Si prevede di proseguire lo studio di algoritmi deterministici basati sul paradigma 'network mobile automatà per la creazione e la analisi di modelli discreti dello spazio fisico (primordiale), rilassando i requisiti di planarità e trivalenza dei grafi, allo scopo di ottenere modelli più realistici. Ciò imporrà la ricerca di nuove e più sottili tecniche di visualizzazione delle proprietà emergenti delle computazioni. Si studieranno inoltre, in modo comparativo, le proprietà delle reti causali derivanti dai suddetti algoritmi e da altri modelli di calcolo, per individuare eventuali caratteristiche di tali reti (viste come modelli discreti dello spazio-tempo) che risultino invarianti rispetto ai meccanismi di calcolo sottostanti. Ci proponiamo anche di studiare nuovi framework di specifica e verifica, usande delle logiche deontiche, per dei sistemi service-oriented e con lo scopo di supportare l'interazione uomo-computer. Continuremo lo sviluppo degli team automata; in particolare studiaremo la possibilità di arricchirli con una logica modale/deontica, probabilità e/o soft constraints. Inoltre, nella prima parte del 2009 verrà completato lo sviluppo dello strumento di analisi formale progettato in DESEREC. L'integrazione di nuove funzionalità ed, in particolare, una maggior attenzione al problema del computo delle metriche, oltre cha alla loro definizione, è invece prevista per i mesi conclusivi dell'anno. Si intende inoltre effettuare una revisione critica delle attività e delle scelte adottate per il tool al fine di introdurre meccanismi opportuni per migliorarne le prestazioni e, nei limiti del possibile, il campo di applicazioni. Si intende anche migliorare lo strumento Zot, aumentandone l'usabilità, le prestazioni ed il supporto di nuove notazioni. Altri obiettivi che si intende conseguire nel 2009 sono: • l'applicazione dello strumento Zot a casi di studio significativi • il miglioramento del supporto di notazioni basate su tempo denso e • lo studio dei problemi di completezza per bounded satisfiability checking. • lo studio, l'estensione e l'applicazione delle tecniche per strutture 2D

Punti critici e azioni da svolgere Criticità possono emergere relativamente alla necessità di acquisire nuovi finanziamenti da terzi, al fine di garantire continuità di risorse economiche alle attività del modulo, continuità finora assicurata dalla partecipazione ai progetti DESEREC e Sensoria (entrambi in via di conclusione nel 2009). Allo stesso tempo, delicata appare la situazione delle risorse umane disponibili: già negli anni passati si è fatto presente che il numero di ricercatori dediti allo svolgimento delle ricerche previste risultava al di sotto della soglia critica. La situazione è destinata a peggiorare ulteriormente a causa dei prevedibili pensionamenti che interesseranno gli istituti ad inizio 2009. Azioni da svolgere: Copertura dei contratti a tempo determinato attivatisui origettu EU nelle more delle procedure di stabilizzazione ai sensi del comma 519 dell'art. 1 della L 296/2006. Attivazione di concorsiper nuovo personale a tempo indeterminato aperti a tutte le tematiche di ricerca attive.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Tecniche di modellazione formale per sistemi concorrenti e distribuiti, con particolare enfasi per gli aspetti di

sicurezza. • Tecniche di verifica formale per sistemi concorrenti e distribuiti con particolari requisiti di sicurezza. • Metodi di analisi che tengono in conto la complessità computazionale nell'applicazione delle suddette tecniche e

loro gestione. • Strumenti software di ausilio alla modellazione e verifica formale di sistemi concorrenti e distribuiti • Progetto e sviluppo di strumenti software basati su tecniche di modellazione e verifica formale.

Strumentazione

Tecniche di indagine Tecniche di analisi di sistemi concorrenti e distribuiti: • Model checking • Model checking simbolico • Inferenza Prolog


Tecnologie Gli studi e gli sviluppi effettuati hanno come obiettivo l'acquisizione delle metodologie di analisi e verifica di proprietà di funzionali e non funzionali di sistemi complessie applicazioni basate su servizi e la sicurezza di reti di grandi dimensione come ad esempio le reti di gestione/monitoraggio di grandi infrastrutture di trasporto.

Collaborazioni (partner e committenti) Le principali collaborazioni soon state intraprese con: Comunità Europea, THINK3, Telecom Italia SPA, Alstom Transport SPA, ERCIM, Dipartimento di Informatica -Università di Pisa, Dipartimento di Sistemi ed Informatica -Università di Firenze, Ludwig-Maximilians-Universitat München, Leiden University, Siemens AG, ALSTOM Transportation Systems, Aachen University. Thales, CRC, EADS, Exaprotect, IABG, ICOM, Search-lab, GMV, TL, TNO, Budapest University, ENST, University of Wroclaw, University of Murcia RENFE, OTE, Thales D3S in rappresentanza di 9 paesi europei e del Canada. Alcune delle collaborazioni sopra citate sono state svolte in alcuni progetti europei quali: MOD-CONTROL, (FP6-PLT-506652/TIP3-CT-2003-506652) AGILE, (IST PROGRAMME IST-2001-32747) SENSORIA (FP6-2004-IST-FETPI) (DESEREC (FP 6-2005-IST)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si intende avanzare nuove proposte progettuali cogliendo le opportunità che si presenteranno a livello nazionale ed internazionale, al fine di acquisire nuovi finanziamenti da utilizzarsi da un lato per il miglioramento degli strumenti prodotti in DESEREC ed in Sensoria e dall'altro per avviare nuove attività di indagine nel settore della sicurezza delle reti e dei sistemi e nell'ambito di applicazioni avanzate basate su servizi. Si intende anche verificare la possibilità di impiego dele tecniche di analisi formale sviluppate nel campo della progettazione di network di tipo industriale al fine di favorire la stipula di nuovi contratti di ricerca con imprese ed enti privati.

Finalità

Obiettivi Questa commessa si pone l'obiettivo di sviluppare nuovi linguaggi, tecniche e strumenti formali per la specifica e verifica di sistemi software, che siano utilizzabili nel loro progetto, e che siano anche di supporto al loro intero ciclo di vita. Particolare attenzione sarà rivolta ai sistemi complessi di nuova generazione che usano anche infrastrutture di comunicazione globali e distribuite quali i servizi Web, il monitoraggio e controllo di sistemi critici e complessi (es. produzione e distribuzione di energia), i sistemi mobili autonomi e real-time.

Risultati attesi nell'anno • Nuovi framework di specifica e verifica logica per sistemi service-oriented tali da supportare l'interazione uomo-

computer. • Algoritmi di model-checking stocastico on-the-fly • Algoritmi deterministici basati sul paradigma 'network mobile automatà per la creazione e la analisi di modelli

discreti dello spazio fisico • Strumenti software prototipali per la verifica. • Completamento del prototipo di tool automatico per l'analisi congiunta di vulnerabilità e fault propagation in reti

di grandi dimensioni. • Applicazione delle tecniche di bounded model/satisfiability checker adalcuni casi significativi, e confronto con

altre tecniche. • Maggiore robustezza ed usabilità dello strumento Zot. • Estensione e miglioramento delle prestazioni di verifica di Zot. • Estensione e miglioramento del supporto per notazioni basate su tempodenso. • Ulteriori risultati teorici sulle notazioni 2D; studi preliminari diapplicabilità ad ambiti diversi, quali la

composizione di servizi web. • Pubblicazioni scientifiche in riviste internazionali e comunicazioni a conferenze internazionali del settore


Potenziale impiego - per processi produttivi Obiettivo primario di questa commessa è l'utilizzazione dei linguaggi, tecniche e strumenti formali definiti in contesti industriali, nei settori relativi allo sviluppo di sistemi software-intensive ad elevato grado di complessità e criticità cioè quei sistemi ad alta complessità tecnica dove la gestione di attività concorrenti in tempo reale ed in presenza di guasti o di eventi difficilmente prevedibili è assolutamente critica. Questa classe di sistemi richiede l'applicazione delle più efficaci e rigorose misure di controllo della qualità e i metodi formali rappresentano un idoneo mezzo per effettuare tale controllo. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La dipendenza della società da sistemi software è sempre maggiore: un grande numero di prodotti e servizi comunemente utilizzati ne dipendono strettamente. I sistemi software a cui ci riferiamo sono spesso caratterizzati da elevata complessità e criticità, come sistemi bancari e di e-business, sistemi di controllo, apparecchiature medicali, la domotica. È necessario fin dalle prime fasi del loro sviluppo garantire tutti gli aspetti essenziali di affidabilità, sicurezza, robustezza, usabilità. La sempre crescente dipendenza da sistemi software crea un'urgente necessità di garantire quegli aspetti di affidabilità, sicurezza, robustezza, interoperabilità, usabilità necessari per il loro corretto uso. Infatti, errori che accadano durante il loro funzionamento possono avere conseguenze drammatiche sia dal punto di vista economico che umano. I metodi formali e gli strumenti di supporto alla loro applicazione sono uno dei mezzi con cui eventuali comportamenti non desiderati dei sistemi possono essere rilevati e quindi eliminati sia mediante la verifica formale di proprietà di correttezza e affidabilità fin dalla prima fase della loro specifica. Moduli

Modulo: Metodi e Strumenti per la Progettazione di Sistemi Software-Intensive ad Elevata Complessità

Istituto esecutore: Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni

Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Metodi e Strumenti per la Progettazione di Sistemi Software-Intensive ad Elevata Complessità



Elaborazione ed integrazione di segnali e immagini multisorgente e sintesi ipermediali Dati generali

Progetto: Multimodal and Multidimensional content and Media Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: OVIDIO SALVETTI Temi

Tematiche di ricerca • Acquisizione automatica di immagini e segnali: dispositivi e software per acquisizione, anche in tempo reale, e la

validazione dei dati • Studio di sensori e di dispositivi nano e microelettronici • Elaborazione di immagini fisse ed in movimento • Codifica di segnali video • Interpretazione, classificazione, categorizzazione di dati multimediali, analisi dei dati per sistemi di diagnostica • Semantic multimedia • Hypermedia authoring • Multimedia web services • Multimedia mining & knowledge discovery • Supporto alle decisioni basato sull'interpretazione di informazione multimodale e multisorgente. Aspetti principali dell'attività sono stati tra l'altro inerenti lo studio, sviluppo e sperimentazione di:(i) sensori e microsistemi integrati;(ii) modelli e algoritmi di interpretazione e caratterizzazione di scenari multimediali;(iii) infrastrutture software per la gestione di metadati, algoritmi e relative ontologie,(iv) tools per il mapping fra sistemi di descrizione della conoscenza e opportuni schemi di descrizione semantica in profili di standard multimediali,(v) sistemi e algoritmi per la gestione video avanzata,(vi) sistemi per il mining di informazione da dati multimodali.

Stato dell'arte La commessa abbraccia alcuni settori scientifici rilevanti caratterizzati, da una parte, da basi teorico-metodologiche e tecnologiche consolidate con prospettive di sviluppo certe e costanti, e dall'altra, da una crescita ragguardevole, ancora libera e non ben formalizzata, di nuovi strumenti di indagine e applicazione in ambito distribuito. Questi settori comprendono vaste aree interessate all'analisi e al trattamento dei segnali e delle immagini multimodali e multisorgente e parte di quell'universo scientifico-tecnologico che opera per sviluppare aspetti avanzati del multimedia semantics e tecnologie della comunicazione multimediale diffusiva ed interattiva. La commessa quindi non solo propone attività ben inserite ed integrate con gli obiettivi del progetto ma interessa anche tematiche di rilievo caratterizzanti programmi scientifico-tecnologici d'avanguardia, promossi in contesti nazionali ed internazionali, pubblici e privati, evidenziando prospettive di sviluppo concrete e molto attraenti. Ricadute dell'attività interessano infatti settori di alto impatto sociale e tecnologico e sono in accordo con importanti obiettivi strategici individuati nei recenti programmi comunitari.


Azioni

Attività da svolgere L'attività consisterà nello studio, progetto e sviluppo di metodi avanzati e innovativi per l'analisi di segnali e immagini, multisorgente e multimodali, nell'ambito di diversi settori strategici. Metodi di elaborazione a medio e basso livello saranno definiti e applicati alla gestione di immagini diagnostiche per lo sviluppo di sistemi CAD di diversa applicazione, come la diagnosi clinica, il monitoraggio ambientale e la conservazione dei beni culturali. Continuerà l'elaborazione di immagini astrofisiche per il supporto ai gruppi astrofisici nell'entrata in fase operativa degli algoritmi installati presso il Planck-LFI DPC. Verrano studiate tecniche di Blind Source Separation non-lineare e Bayesiane per il restauro e l'analisi di documenti antichi degradati. Saranno studiati e sviluppati metodi per l'ICA tramite la massimizzazione dell'alpha-stabilità per segnali impulsivi, per l'analisi della rate-distorsion e per la caratterizzazione di segnali impulsivi. Continuerà l'attività sulle tecniche di watermarking in termini di sviluppo della piattaforma software e di valutazione della qualità del segnale. Una nuova generazione di sensori di flusso termico verrà, inoltre, studiata e sviluppata per applicazioni audio. I dispositivi verranno progettati facendo riferimento ad un processo BCD commerciale della STMicroelectronics e la tecnica di post-processing verrà, eventualmente, adattata al nuovo processo. Si procederà, quindi, alla caratterizzazione preliminare dei nuovi dispositivi. Relativamente ai sensori gravimetrici, si procederà alla verifica di un loro impiego in ambito diagnostico in collaborazione con l'Istituto di Fisiologia Clinica del CNR. È in progetto il porting dell'algoritmo ARIA su piattaforma embedded basata su Mini Mac per il ripristino della dinamica nella musica sovracompressa. Particolare attenzione verrà data allo studio metodi per il miglioramento della ripresa microfonica (miking) di segnali in banda audio in ambiente rumoroso. Sarà proseguita l'attività di formalizzazione delle ontologie descrittive della struttura del discorso e dei processi di authoring, tramite collegamento alle ontologie fondazionali sviluppate dall'ISTC-CNR. Verrà studiata l'applicazione di pattern di ingegneria della conoscenza alla definizione di profili per la annotazione semantica non ambigua in MPEG-7 di situazioni ed eventi rappresentati o simbolizzati in segmenti di video ed immagini. In particolare, l'attività riguarderà l'accrescimento delle annotazioni di immagini e video con descrizioni di contenuti e contesto (eventi e situazioni) attraverso composizione di termini controllati in frasi, utilizzando schemi sintattici standardizzati. Il domino applicativo si estenderebbe dall'identità culturale (possibile partecipazione a HERIT), al turismo (POR Sicilia), alla medicina, dove è già attivata una partecipazione a MERIT in collaborazione con altra commessa ICAR ed alla generazione e di presentazioni basate su di una struttura del discorso temporale (report) anziché categoriale (atlanti). Sono in avvio due progetti, uno industriale e uno europeo finanziato nell'ambito del 7° Programma Quadro: • "conTatto", che mira all'uso di dispositivi e sistemi di rilevamento gestuale basate sulle tecnologie dei raggi

infrarossi e di elaborazione real-time di immagini per la sonorizzazione interattiva di ambienti nell'ambito del recupero di bambini affetti da autismo. Il progetto verrà finanziato mediante opportuna commessa;

• Argomarine, che mira al monitoraggio di zone marine protette e soggette a pesante traffico marittimo allo scopo di prevenire e gestire possibili eventi di inquinamento.

Punti critici e azioni da svolgere La principale criticità non riguarda specificamente gli obiettivi scientifici relativi all'attività programmata. Due sono gli aspetti da sottolineare: - al momento non è valutabile l'eventuale gap finanziario che nel medio termine potrà essere conseguente alle iniziative inerenti il 7° PQ. Nell'anno di riferimento si è previsto quindi di incrementare in particolare l'attività di trasferimento tecnologico della commessa sviluppando i contatti con soggetti esterni, pubblici e privati - la commessa ha recentemente subito e subirà dal prossimo anno una perdita di personale, dovuta prevalentemente a pensionamenti. Il reclutamento di giovani assegnisti o borsisti non può ritenersi una soluzione strategica e sistematica. Si richiederebbe pertanto di acquisire un numero adeguato di ricercatori a tempo indeterminato e di ricercatori a tempo determinato su fondi centrali CNR. In particolare, relativamente ad uno dei moduli della commessa, con il trasferimento di un Ricercatore ad altro Ente avvenuto l'anno scorso e con il pensionamento dal gennaio 2009 del Responsabile attuale, la consistenza del gruppo di ricerca impegnato nel modulo ha subito una significativa riduzione. Si ritiene indispensabile, pertanto, una soluzione che reintegri in tempi brevi le risorse umane impegnate in attività di ricerca, per far fronte agli impegni presi.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le maggiori competenze sono inerenti gli aspetti teorico-metodologici e tecnologico-sperimentali che riguardano: • Trattamento e analisi di segnali, relativamente anche alla loro formazione ed acquisizione e allo sviluppo di

strumenti dedicati • Elaborazione e interpretazione di immagini, relativamente anche alla loro acquisizione controllata e alla loro

categorizzazione mediante modelli di compuational intelligence • Elaborazione e codifica di contenuti multimediali per applicazioni di videocomunicazione, televisione e

cinematografia digitale • Realizzazione e caratterizzazione di componenti microelettronici e microsistemi dedicati • Sistemi di annotazioni e di definizione di ontologie specifiche • Schemi di classificazione di dati multimodali e multisorgente • Metodi di media-items retrieval

Strumentazione La principale strumentazione che è stata utilizzata per lo sviluppo delle attività può essere riassunta in: • Attrezzature scientifiche per l'acquisizione ed elaborazione di segnali video Standard e HDTV • Attrezzature scientifiche per la realizzazione e caratterizzazione di sensori e microsistemi integrati • Dispositivi per l'elaborazione in tempo reale di segnali audio • Attrezzature per l'ispezione non distruttiva di materiali mediante sensori a ultrasuoni e a campi elettomagnetici • Tecnologia DHX per piattaforma virtuale • Strutture server-client per elaborazione e accesso distribuito • Strumentazione opto-elettronica e spettrografica per l'acquisizione di immagini.

Tecniche di indagine Ricerca, progettazione e sviluppo di algoritmi, sistemi e soluzioni per problemi complessi nel campo del trattamento e dell'analisi dei contenuti multimodali e multidimensionali di dati multimediali mediante la definizione di metodologie software specifiche e soluzioni strumentali integrate dedicate. Tematiche di ricerca e sviluppo: • Infrastrutture software multimediali • Elaborazione di immagini 2D/3D statiche e dinamiche • Piattaforme virtuali per l'interazione con scenari grafico-pittorici • Sviluppo applicazioni content-based in biomedicina, controllo di qualità, diagnostica per immagini, servizi

ipermediali, comunicazione multimediale e restauro cinematografico. • Framework per lo sviluppo di algoritmi di sintesi dei dati • Sistemi per estrazione features.

Tecnologie • Post-processing per la fabbricazione di MEMS • Image processing e video coding • Multimedia Information Retrieval • Computational e Conformal Geometry • Computational Intelligence • Analisi content-based • Multimedia semantics • Media annotation • Ontologie • Pattern recognition • Machine learning • Features extraction and characterization • Modelli di analisi e sintesi • Calcolo distribuito e real-time

Collaborazioni (partner e committenti) -Progetti e Consorzi EU IST NoE MUSCLE; EU FP6 HEARTFAID; PANDORA; W3C–Multimedia Semantics Incubator Group; Planck Consortium Technical; ASI-INAF "Cosmologia e Fisica fondamentale"; EPRSC ECSON Project; CNR-CSIC -Accordi Bilaterali CNR-RAS, CNR-BILKENT, CNR-Uni. di Xidian -Università Milano Bicocca; Pisa – Dipp. di Mat., Inf., Fis., Chimica; Calabria–DEIS; Magna Graecia–Fac. di Medicina; Bologna–Dip. di Mat. - Vision Group; Perugia, Dipp. di Mat. e Inf.; SISSA, Trieste; Granada, Spagna; Cantabria -


Ist. di Fisica, Spagna; JUMC, Cracovia; Bilkent Uni., Ankara; Trinity Coll., Dublin; Aachen Uni. of Techn., RWTH; Uni. of Central Lancashire; Bogazici Uni; Shangai Jiao Tong Uni; Uni of Bristol; Uni. La Sapienza; Nat. Technical Uni. of Athens -Enti e Fondazioni Italiani CNR-ICAR, Palermo; Fond. Giorgio Ronchi, Firenze; Ist. Auxologico Italiano, Milano; Centro di Supercalcolo per l'Ing. Comput. NEC-CESIC, Cosenza; INAF – Oss. Astron., Padova, IFL-CNR, Pisa; Comune Torino; ISAC Bologna; Int. Centre for Theoretical Physics "Abdus Salam", Trieste; Ist. Superiore "Mario Boella", Torino; Ist. Naz. di Ric. Metrologica (INRIM), Torino; Reg. Autonoma Valle d'Aosta; Com. Elettrotecnico Italiano-CEI, Milano; Fond. Scuola di San Giorgio, Venezia; Nat. Park of the Tuscany Archipelago -Enti di Ricerca Stranieri INRIA, Rocquencourt e Sophia-Antipolis; FORTH, Heraklion-Grecia; RAS, Moscow; CEA, Paris; CWI, Amsterdam; RBI, Zagabria; IBaI, Leipzig; CSIC, Tubitak; NATO Undersea Res. Centre, La Spezia -Industria Finmeccanica; Synapsis; FORTHNET, Grecia; VMW Solutions, UK; VIS; Virtualy Reality & Multimedia Park, Torino; CSP scrl, Torino; CEDEO SaS, Torino

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Saranno avviate attività per organizzare la nostra partecipazione a iniziative R&D previste nell'EU IST FP7. In particolare, è già stata accettata una proposta di progetto nel settore "ICT for Enviroment/Energy" (ICT 6.3), che si occuperà della realizzazione di un Marine Information System volto alla gestione di parchi naturali marini e alla prevenzione di incidenti inquinanti (Progetto Argomarine). Sulla base degli ottimi risultati conseguiti nel progetto HEARTFAID, è in fase di preparazione una proposta di ideale continuazione con l'obiettivo di avviare un IP project. È stata avanzata la richiesta di finanziamento per il Progetto Ammira (Acquisizione Multispettrale, Miglioramento, Indicizzazione e Ricerca di manufatti Artistici) - Bando PIA - Pacchetti Integrati di Agevolazione - Regione Calabria. Nell'ambito dell'Accordo Quadro CNR/Regione Autonoma Valle d'Aosta si pensa di individuare, anche in collaborazione con il BREL, uno specifico caso di studio per il progetto interdipartimentale "Cultura e Territorio". Si prevede anche di partecipare a un progetto ministeriale con Alenia Aeronautica. È, inoltre, prevista la partecipazione a gruppi di lavoro misti (imprese private ed enti di ricerca) per la presentazione di progetti nei nostri settori di competenza (Progetti PRIN -con DICo Univ di Milano, Inoltre, si intende proseguire l'attività di trasferimento tecnologico verso aziende del settore IT mediante contratti di ricerca specifici.

Finalità

Obiettivi Obiettivi e competenze riguardano lo studio e lo sviluppo di metodologie, tecnologie e strumenti innovativi nel campo dell'acquisizione e della formazione di segnali e immagini, della creazione e comprensione del contenuto informativo di dati multimediali e multisensoriali. Particolare importanza assume la capacità di sviluppare tecniche e sistemi avanzati che siano di supporto alla soluzione di problemi inerenti diversi campi applicativi mediante l'integrazione di informazione multidimensionale (biomedicina, servizi ipermediali, cinematografia, settori musicali multimediali, artistici e consumer).


Risultati attesi nell'anno I risultati attesi consisteranno principalmente nello sviluppo di: • Una nuova generazione di sensori di flusso progettati con un nuovo processo BCD commerciale della

STMicroelectronics • Metodi avanzati per l'analisi di immagini a scopo diagnostico • Tecniche di watermarking • Sistema di supporto all'elaborazione e interpretazione di immagini basato su modelli ontologici • Sistema integrato di ausilio alla decisione in ambito cardiologico • Piattaforma IT per la gestione, analisi e annotazione di immagini e sequenze di immagini cardiologiche • Studio di fattibilità e progettazione di una piattaforma di comunicazione e di un sistema di supporto alle decisioni

in ambito di monitoraggio ambientale • Infrastruttura per la rappresentazione, la memorizzazione e utilizzo di forme 2-3D nel recupero dell'informazione

ed estrazione di nuova conoscenza • Tool per la correzione di distorsioni geometriche, la registrazione e il restauro virtuale di immagini di documenti • Affinamento della tecnica FD-CCA e sua sperimentazione su osservazioni simulate e reali • Modelli a rappresentazione sparsa per la stima delle sorgenti puntiformi • Modelli pienamente bayesiani per le immagini da trattare a base di un algoritmo MCMC per la separazione cieca

di componenti diffuse • Framework "pCM++, pure CMusic" per la sintesi e l'elaborazione realtime di segnali musicali • Abrupt event detection in multimedia mediante sequential Montecarlo • Estensione delle ontologie di dominio su contenuti di dominio e su forme rappresentative di presentazioni

ipermediali con struttura temporale. • Profili e pattern logici per l'annotazione semantica per proposizioni in MPEG-7 • Estensione del dimostratore di piattaforma a servizi web, in tecnologia Semantic Web di supporto all'authoring di

documentari ipermediali. • Pubblicazionii scientifiche.

Potenziale impiego - per processi produttivi • Settori di particolare interesse sono: • controllo non distruttivo di materiali e componenti (interesse storico-artistico, qualità industriale) • sistemi di sorveglianza attiva • controllo della qualità • sistemi di ausilio alla diagnosi in biomedicina (cardiologia, oftalmologia, ematologia, neuroradiologia) • sistemi per la colorimetria e spettrografia • applicazioni musicali multimediali (informatica), artistiche e consumer • sistemi IT multimediali • industrie del Cinema e dell'audiovisivo, proprietari dei contenuti, gestori delle reti di telecomunicazioni e

diffusione,televisione digitale e HDTV • applicazioni di abrupt event detection in multimedia • applicazioni per la Comunità astrofisica • applicazioni per la gestione del territorio • automazione di processi di interesse per le Amministrazioni dei beni culturali, delle biblioteche, archivi e fondi

storici - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le ricerche condotte hanno impatto su: • gestione, fruizione e salvaguardia dei beni culturali • diagnosi di materiali compositi per l'industria dei trasporti • tutela della salute • promozione e diffusione culturale e scientifica sia di tipo specialistico che verso il largo pubblico • ausilio alla sicurezza dei cittadini in ambienti pubblici • sistemi di analisi dati in grandi missioni scientifiche, in particolare per l'elaborazione di mappe multicanale

acquisite da sensori spaziali • intrattenimento


Moduli

Modulo: Elaborazione di segnali e immagini per impieghi diagnostici e interpretazione di immagini multisorgente


Modulo: Multimedia Communications & Signal Processing Systems and Technologies

Istituto esecutore: Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni

Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Indicizzazione, annotazione e recupero di immagini e video per contenuto, per integrazione di ipermedia

Istituto esecutore: Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni Luogo di svolgimento attività: Sede di Palermo


Visualizzazione 3D e Interazione Uomo-Macchina Dati generali

Progetto: Multimodal and Multidimensional content and Media Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FABIO GANOVELLI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca della commessa possono essere sintetizzate in: (a) progettazione e realizzazione di tecniche per la completa automazione del processo di acquisizione 3D delle caratteristiche di forma e colore di oggetti del mondo reale con particolare con particolare riferimento alle fasi di registrazione automatica dei dati derivati da scansioni multiple, (b) strumenti software per l'interazione real-time con modelli deformabili mediante dispositivi dotati di meccanismi force feedback, (c) progettazione e sviluppo di schemi di rappresentazione geometrica multirisoluzione per la visualizzazione interattiva di scene 3D molto complesse, (d) progettazione e sviluppo di sistemi autore per ambienti di realtà virtuale basati sul colloquio e l'interazione con attori virtuali, (e) progettazione e sviluppo di meccanismi e metafore di interazione multimodale che risultino robusti ed amichevoli.

Stato dell'arte Le attività proposte si inseriscono in un quadro di ricerca nazionale ed internazionale in cui forte è l'esigenza di visualizzazione real-time e interazione amichevole di/con scenari 3D. I temi proposti sono in linea con le indicazioni della CE per quanto riguarda il rendering di media digitali 3D in molteplici discipline. Una visualizzazione immersiva e la possibilità di interazione anche mediante dispositivi aptici sono condizioni essenziali per il progredire della conoscenza. La complessità degli scenari trattati non deriva soltanto dalla complessità geometrica dei modelli di rappresentazione ma anche da pressanti esigenze di: (a) fedeltà dei modelli creati, (b) integrazione con modelli deformabili, (c) integrazione di dati multi-dimensionali e multimediali, (d) elevato realismo nella restituzione, (e) elevata interattività realizzata anche con l'ausilio di interfacce multimodali robuste e amichevoli e di dispositivi aptici, (f) interazione avanzata mediante attori sintetici ed espressione facciale e vocale. Azioni

Attività da svolgere 1) Progettazione e realizzazione di un nuovo sistema per il rendering di ambienti urbani, in collaborazione con il crs4, nel contesto del progetto V-CITY 2) Sviluppo di nuove tecniche per l'allineamento automatico di mesh di superficie e per l'editing out-of-core nel contesto del progetto EU COFORM 3) Sviluppo di nuove tecniche di parametrizzazione di mesh di superficie (curiosity driven, in corso) 4) Sviluppo di nuove tecniche di rendering che includano il subsurface scattering (curiosity driven, in corso) 5) Sviluppo e mantenimento delle librerie e i tool opensource prodotti dal laboratorio VCL-ISTi, in particolare • Meshlab (http://meshlab.sf.net) • VcgLib (http://vcg.sf.net)

Punti critici e azioni da svolgere Dal punto di vista scientifico, le competenze e l'esperienza del gruppo di lavoro sono adeguate agli obbiettivi prefissati e non si individuano punti particolarmente critici. Rileviamo comunque che tra le attività elencate in "Attività da svolgere", quelle indicate in 3) e 4) possono essere individuate come quelle di carattere più esplorativo e che implicano un maggior rischio, trattando argomenti nuovi sia nel contesto della ricerca che rispetto alle attività pregresse delle commessa.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I partecipanti alla commessa (e i collaboratori esterni) sono prevalentemente laureati in informatica, ingegneria informatica o matematica con esperienza e competenze nelle seguenti tematiche: • teoria degli algoritmi e programmazione • ottimizzazione continua e discreta • tecniche di digitalizzazione di forma e colore di oggetti tridimensionali (laser scanners, scanners a luce struttura,

time-of-flight scanning) • algebra topologica • trattamento di dati tridimensionali (mesh processing) • metodi per la visualizzazione di grandi moli di dati tridimensionali • tecniche per la simulazione fisica di oggetti tridimensionali

Strumentazione • personal computer consumer level, equipaggiati con hardware grafico di fascia medio-alta e di strumetazione per

l'acquisizione digitale di forme tridimensionali, in particoalare: • uno scanner laser minolta VI 910 • Leica Geosystems 2500 • uno scanner laser NextEngine • macchine fotografiche digitali consumer di fascia medio-alta

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine si differenziano per tipo di attività della commessa. Per quanto riguarda i temi legati all'acquisizione della forme geometriche (3D scanning), una tecnica consolidata consiste nel eseguire ciclicamente il processo (aquisizione con strumento ==> processamento dei dati ==> construzione dei modelli virtuali ==> indagine sulla qualità ==> sviluppo di tecniche per il miglioramento del dato). Questo modus operandi ha portato negli anni al raffinamento del processo di digitalizzazione che permette oggi di ottenere un digitalizzazione la cui resa visiva è talvolta indistinguibile dalla ripresa fotografica. Sulle tematiche legate alla visualizzazione, alla modellazione di oggetti deformabili e allo sviluppo di applicativi e librerie invece la ricerca procede per obiettivi specifici (ad esempio la definizione di un modello per la simulazione del nodo chirurgico) e segue il percorso: definizione del problema ==> studio teorico della soluzione ==> sviluppo ==> integrazione con l'esistente

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Sono attive collaborazioni scientifiche con: University of California at Los Angeles sui temi della ricostruzione di modelli digitali 3D; Stanford University di Berkeley (USA) per le tematiche di 3D scanning; Max Planck Institute di Saarbruecken per la corretta acquisizione e gestione del colore di oggetti reali, Universidad Polytecnica de Catalunya per la progettazione e sviluppo di dispositivi a basso costo per realtà virtuale; DISI di Genova per la definizione schemi e tecniche di multirisoluzione. Le attività della commessa sono portate avanti anche nell'ambito di progetti Europei (DHX Digital Artistic and Ecological Heritage Exchange, V-PLANET: The Virtual Planet IST-2000-28095, VIHAP3D Virtual Heritage: High-Quality 3D Acquisition and Presentation), Ministeriali (FIRB-MIUR MACROGeo) e Industriali (Digital Sculptor, Parnaso "Ecumene"). I partner di progetto sono numerose realtà scientifiche e industriali nazionali ed europee.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Bando dell'Agenzia Spaziale Italiana "Progetti per lo sviluppo Tecnologico" ( rif: DC-PRZ-2007-001) • Proposta di progetto mirata allo sviluppo di una piattaforma software per la fruizione dei dati satellitari in

partnership con la S.M.E.ACSytem e al consorzio CRS4. • Industria 2015, proposta del progetto CALDER in collaborazione con i laboratori KDD, NMIS, HPC e Telecom

Italia • Preparazione progetto Bando RT Regione Toscana • Progetto HEOL in collaborazione con INOA e AMET-ITALY (iniziato e portato a termine nel corso del 2008)


Finalità

Obiettivi La commessa si pone come obiettivo primario la progettazione e lo sviluppo di strumenti e tecniche per la creazione, gestione e visualizzazione interattiva di scenari 3D complessi; gli scenari o gli oggetti della scena potranno essere direttamente clonati dal mondo reale per mezzo di tecnologie di acquisizione automatica 3D scanning oppure realizzati con strumenti di sintesi. Gli strumenti sviluppati devono consentire la realizzazione di applicazioni di frontiera per quello che riguarda rendering grafico ed interazione: visualizzazione di oggetti e scene di grandi dimensioni, gestione e manipolazione di oggetti o tessuti deformabili, altissimo grado di realismo ed immersività, disponibilità di meccanismi di interazione uomo-macchina robusti ed amichevoli, disponibilità di dispositivi di interazione dotati di meccanismi di feed-back. Tra gli obiettivi della commessa nei settori della visualizzazione e dell'interazione uomo-macchina vanno certamente citati il superamento del cosiddetto rendering fotorealistico o della velocità dei processori grafici.

Risultati attesi nell'anno 1) Sviluppo parziale del nuovo sistema per il rendering di ambienti urbani 2) Sviluppo di nuove tecniche per l'allineamento automatico di mesh di superficie e per l'editing out-of-core 3) Sviluppo di una nuova tecnica di parametrizzazione di mesh di superficie 4) Sviluppo di nuove tecniche di rendering che includano il subsurface scattering

Potenziale impiego - per processi produttivi Le possibili ricadute industriali sono notevoli. L'attività prevista sulla tematica del 3D scanning mira a definire un insieme di passi completamente automatici che risolvano efficacemente le diverse fasi della clonazione digitale 3D (registrazione e fusione delle acquisizioni parziali, semplificazione geometrica e rappresentazione multirisoluzione, recupero delle informazioni colorimetriche e tessiturali) e permettano di evolvere nella direzione della fotografia 3D. Le applicazioni del 3D scanning non si limitano al settore dei Beni Culturali ma si estendono al complesso e differenziato settore del Reverse Engineering, cioè del processo che porta dall'oggetto reale alla sua rappresentazione digitale accurata, misurabile, modificabile e risproducibile. Sulla tematica delle strutture dati ed algoritmi per l'efficiente visualizzazione ed interazione di/con modelli digitali complessi le ricadute sono evidenti: Il limite tecnologico dei dispositivi di output e la crescente esigenza di visualizzazioni real-time di scenari sempre più complessi impone un ripensamento delle strutture dati di rappresentazione geometrica e dei meccanismi di interazione tra CPU e GPU. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le attività svolte nell'ambito delle tematiche: (a) tecniche e strumenti per la realizzazione di interfacce uomo-macchina multimodali, (b) tecniche e strumenti per la modellazione, visualizzazione ed interazione di/con oggetti deformabili e (c) tecniche e strumenti di realtà virtuale ed aumentata presentano potenziali ricadute verso un numero elevatissimo di applicazioni: dalla cultura, alla formazione, all'intrattenimento; alla presentazione di dati scientifici e alla simulazione visiva. Si va dalla fruizione e valorizzazione di beni culturali alla chirurgia assistita da computer (caratterizzata da modelli deformabili e di integrazione con informazioni multimodali), dalla visualizzazione di rappresentazioni del territorio o di ambienti urbani, alle applicazioni a supporto dell'handicap o dell'insegnamento (uso di animazione facciale e "talking heads"), alle applicazioni VR nei settori dell'intrattenimento, della promozione e diffusione culturale e scientifica verso il largo pubblico, della promozione turistica e del territorio (che riscuotono certamente grande interesse a livello di SME, amministrazioni pubbliche e associazioni di categoria). Moduli

Modulo: Visualizzazione 3D e Interazione Uomo-Macchina Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Visualizzazione 3D e Interazione Uomo-Macchina Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie della cognizione Luogo di svolgimento attività: Sede di Padova


Modelli matematici e metodi numerici per la dinamica del volo e la meccanica dei solidi Dati generali

Progetto: Modellistica e Simulazione di Sistemi Complessi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: LUCIANO ANSELMO Temi

Tematiche di ricerca DINAMICA DEL VOLO: dinamica, analisi orbitale e controllo di missioni spaziali; modellazione fisico-matematica dei detriti spaziali, della loro evoluzione a lungo termine e dell'efficacia delle misure di mitigazione proposte; analisi di missione, modellazione dinamica e controllo del volo di palloni stratosferici, compresi gli aspetti di recupero del carico pagante e di sicurezza; previsioni di rientro di oggetti spaziali non controllati, accuratezza dei modelli di atmosfera e analisi delle fonti di errore; esperimenti spaziali di geodesia e fisica della gravitazione; dinamica e fisica degli asteroidi. MECCANICA DEI SOLIDI: formulazione di modelli matematici per la termomeccanica dei solidi (studio di equazioni costitutive di materiali elastici non lineari, elastoplastici e murature); sviluppo di metodi numerici per la soluzione di problemi di equilibrio e di evoluzione; implementazione dei modelli matematici e degli algoritmi studiati nel codice agli elementi finiti NOSA, interamente sviluppato dal laboratorio di Meccanica dei Materiali e delle Strutture, per analisi strutturali non lineari.

Stato dell'arte DINAMICA DEL VOLO - Detriti Orbitali: agenzie spaziali, organizzazioni internazionali e governi stanno affrontando il problema, per preservare lo spazio circumterrestre per le applicazioni future e garantire la sicurezza degli astronauti, definendo norme e standard che richiedono un elaborato lavoro di modellazione. Palloni Stratosferici: a causa del costo contenuto, sono delle piattaforme ideali per la qualificazione di esperimenti e tecnologie spaziali. MECCANICA DEI SOLIDI - Le seguenti attività risultano rilevanti per l'industria meccanica, aeronautica, elettronica, aerospaziale, siderurgica, di produzione dei refrattari, nonché per le istituzioni preposte alla salvaguardia del patrimonio architettonico nazionale: studio di modelli innovativi per l'ingegneria strutturale (strutture sottili, nuovi materiali, materiali compositi), modellazione di processi di formatura dei metalli (stampaggio, estrusione, imbutitura, trafilatura), analisi termiche, analisi strutturale di antiche costruzioni in muratura (analisi statica e dinamica, interventi di consolidamento), analisi termomeccaniche di strutture soggette a carichi termici (rivestimenti refrattari, processi di saldatura). Azioni

Attività da svolgere DINAMICA DEL VOLO Nel campo dei detriti orbitali, le attività previste sono le seguenti: continuazione della partecipazione al progetto Detriti Spaziali dell'ASI, in collaborazione con il CISAS e l'Università di Roma "La Sapienza"; partecipazione alle attività e alle ricerche promosse dallo IADC, in rappresentanza dell'ASI, per gli aspetti di modellazione e mitigazione; applicazione, in collaborazione con ESA/ESOC, del nuovo codice di calcolo SDM 4.0 all'analisi dell'efficacia delle misure di mitigazione in LEO, MEO e GEO. Continuerà inoltre il supporto tecnico-scientifico al programma dei palloni stratosferici dell'ASI e proseguiranno le ricerche sulla fisica e la dinamica degli asteroidi. MECCANICA DEI SOLIDI Continueranno tutte le attività di ricerca intraprese nel corso del 2008. In particolare saranno portate avanti la ricerca "Studio del comportamento termomeccanico di piastre multistrato", finanziata dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Lucca che si concluderà a luglio 2009 e la collaborazione con il Dipartimento di Costruzioni dell'Università di Firenze per il confronto tra alcuni modelli e metodi per l'analisi del comportamento dinamico di strutture snelle. Continuerà la ricerca "Sviluppo di un sistema integrato per il rilievo 3D e l'analisi strutturale di costruzioni in muratura" nell'ambito del progetto ST@RT - Scienze e Tecnologie per il Patrimonio Artistico Architettonico e Archeologico Toscano, finanziato dalla Regione Toscana (2007-2010). L'attività riguarderà principalmente lo studio e l'analisi strutturale della Torre Rognosa di San Gimignano e della parete dell'affresco della Resurrezione di Piero della Francesca nel museo di Sansepolcro. Parteciperanno alla ricerca il personale strutturato della commessa ed il titolare di un assegno di ricerca finanziato da ST@RT.


Punti critici e azioni da svolgere Un aspetto potenzialmente critico è la dipendenza delle attività sulla dinamica e il controllo del volo dei palloni stratosferici da un giovane tecnologo precario, di grande professionalità ed esperienza, che, a causa della mancanza di chiare prospettive di stabilizzazione del rapporto di lavoro, ha lasciato la commessa per essere assunto a tempo indeterminato da una ditta aerospaziale. Ciò comporterà la ridefinizione e la rimodulazione degli impegni nel settore in questione e la probabile penalizzazione di nuove entrate ed opportunità.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le attività spaziali sono cominciate nel 1975, per il controllo del volo del primo satellite geostazionario italiano, il SIRIO. In seguito, grazie alle competenze sviluppate presso la NASA e la DLR, è stato fornito supporto ai progetti e agli studi di fattibilità del Piano Spaziale Nazionale (CNR/ASI), collaborando anche con l'industria spaziale. Da menzionare la partecipazione a diverse missioni spaziali internazionali, sia in ambito ESA che NASA, tra le quali il segmento europeo alla Stazione Spaziale Internazionale e quattro missioni dello Space Shuttle. Nel campo della meccanica dei solidi le attività sono iniziate nel 1980 e si sono articolate in ricerca, sviluppo software e consulenza, con particolare riferimento all'ingegneria strutturale. In questi anni sono stati studiati e sviluppati modelli fisico/matematici e metodi di calcolo per la soluzione di problemi applicativi. Sono state maturate competenze nei seguenti settori: equazioni costitutive (materiali elastoplastici, materiali elastici lineari e non, etc.), problemi di equilibrio ed evoluzione e loro soluzione numerica, metodo degli elementi finiti, analisi statiche, analisi dinamiche non lineari, analisi termiche.

Strumentazione Le attività della commessa non richiedono generalmente l'utilizzo di dispositivi o apparecchiature particolari. Considerati i rapidi progressi nelle prestazioni dei personal computer commerciali e tenendo conto del fatto che, grazie ai finanziamenti esterni acquisiti, è stato possibile aggiornare costantemente il parco macchine, le periferiche e il relativo software di supporto, l'attuale dotazione di personal computer (un paio di dozzine), diversi dei quali ad elevate prestazioni, è più che adeguata per lo svolgimento delle attività previste. Occasionalmente è contemplato l'utilizzo di strumentazioni particolari, come per le osservazioni di asteroidi. Ma in tal caso gli strumenti vengono resi disponibili per il tempo necessario dalle organizzazioni che li gestiscono, dopo una selezione competitiva delle proposte avanzate dai vari gruppi di ricerca.

Tecniche di indagine Per quanto riguarda la dinamica del volo spaziale, le tecniche di indagine utilizzate sono mutuate dalla meccanica celeste, dall'astrodinamica, dall'astronomia, dalla teoria delle perturbazioni, dalla fisica della gravitazione, dalla geodesia spaziale e dall'analisi numerica. Per la dinamica del volo dei palloni stratosferici le discipline di riferimento sono invece la fisica dell'atmosfera, la termodinamica, l'analisi numerica e il filtraggio dei dati. Quanto alla meccanica dei solidi, la modellazione e la soluzione di problemi di interesse applicativo, ingegneristico ed industriale sono possibili grazie all'integrazione di conoscenze e competenze tipiche della termomeccanica dei solidi, dell'ingegneria strutturale, della scienza delle costruzioni, con quelle dell'analisi numerica, con particolare riferimento ai metodi per l'integrazione numerica di equazioni differenziali alle derivate parziali (elementi finiti, etc.).

Tecnologie È disponibile una vasta libreria di programmi e modelli per affrontare vari problemi di dinamica del volo spaziale e dei palloni stratosferici. Diversi di questi sono stati acquisiti da agenzie spaziali o da ditte specializzate, mentre altri sono stati sviluppati, potenziati o modificati in-house per affrontare tematiche particolari, come i detriti spaziali, le previsioni di rientro e la dinamica rotazionale degli asteroidi. In meccanica dei solidi i modelli e gli algoritmi studiati sono stati implementati nel codice agli elementi finiti NOSA. Il NOSA è stato applicato con successo a numerosi problemi di ingegneria. In particolare, negli ultimi anni vi è stata implementata l'equazione costitutiva dei materiali masonry-like, con lo scopo di studiare la statica di solidi murari e di modellare interventi di restauro e consolidamento su edifici di particolare valore architettonico. È stata anche maturata una notevole esperienza nell'uso del codice per analisi strutturali MSC.Marc e del codice grafico interattivo MSC.Mentat, entrambi a disposizione della commessa.


Collaborazioni (partner e committenti) DINAMICA DEL VOLO Agenzia Spaziale Italiana (ASI); Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC); International Academy of Astronautics (IAA); European Space Agency (ESA); Centro Interdipartimentale di Studi e Attività Spaziali (CISAS) "G. Colombo" di Padova, Dipartimento di Fisica dell'Università di Padova; Università di Parigi VII (Francia), Universidad Estudial de Feira de Santana (Brasile), Dipartimento di Ingegneria Meccanica, University of Michigan (USA); Dipartimento di Matematica dell'Università di Pisa; Committee on Space Research (COSPAR); Space Environment Technologies (USA); Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF); Dipartimento Aerospaziale dell'Università di Roma "La Sapienza". MECCANICA DEI SOLIDI Dipartimento di Costruzioni, Università di Firenze; Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Pisa; Fondazione Cassa di Risparmio di Lucca; Dipartimento di Matematica dell'Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca (Praga); Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (Novosibirsk); Gruppo europeo di ricerca "Laboratorio Lagrange". La commessa collaborerà inoltre con i partner del progetto ST@RT (ICVBC/CNR, IFAC/CNR, INOA/CNR, ISTI/CNR, LABEC/INFN, INSTM, MICC, UNISI-DII, UNISI-DSA, SSSA, MiBAC, OPD), finanziato dalla Regione Toscana.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate DINAMICA DEL VOLO • È in avanzata fase di definizione il prolungamento del contratto in essere con ASI/CISAS relativo al progetto

"Detriti Spaziali" dell'Agenzia Spaziale Italiana; • È in avanzata fase di definizione un contratto ASI per proseguire il supporto tecnico-scientifico alle attività

connesse con il volo di palloni stratosferici; • Partecipazione alla proposta di missione spaziale scientifica PolariX per gli aspetti di analisi di missione; • Possibile coinvolgimento nella missione spaziale scientifica LARES, il cui lancio è previsto alla fine del 2009. MECCANICA DEI SOLIDI È prevista la definizione di proposte progettuali per la modellazione di processi di interesse industriale e per i beni culturali. Si attiveranno contatti e collaborazioni con partner universitari ed industriali per cominciare la preparazione di progetti da presentare all'uscita dei bandi regionali ed europei.

Finalità

Obiettivi L'obiettivo principale è la soluzione di problemi di ingegneria, con elaborati modelli e metodi fisico-matematici, nei campi della dinamica del volo e della meccanica dei solidi. La scelta dei problemi da trattare si basa sulle esigenze, nei settori di competenza, manifestate da potenziali finanziatori esterni, sia italiani che stranieri, quali istituzioni, agenzie, organizzazioni internazionali, enti pubblici e privati, privilegiando quelle attività che vedono ancora una scarsa presenza industriale, per il carattere innovativo e il volume ancora ridotto del mercato. Oltre alle prospettive di finanziamento, le possibili ricadute applicative, il valore tecnico-scientifico, le collaborazioni qualificanti, la promozione dei risultati e l'interesse nazionale sono tra i principali fattori considerati nell'elaborazione delle stategie di ricerca e nella pianificazione delle attività.


Risultati attesi nell'anno DINAMICA DEL VOLO I risultati previsti nel corso del 2009 sono i seguenti: • Stesura e consegna ad ESA/ESOC del rapporto finale del contratto per lo sviluppo di SDM 4.0; • Stesura e consegna all'ASI del rapporto sull'analisi della missione spaziale Shenzhou 7; • Articoli scientifici e presentazioni a conferenze internazionali sull'evoluzione a lungo termine dell'ambiente

detritico, sugli effetti delle perturbazioni in MEO, sull'evoluzione della nube di detriti prodotta dalla distruzione del satellite Fengyun 1C, sull'errore introdotto dai modelli di densità atmosferica nelle previsioni di rientro, sul decadimento orbitale e la distruzione del satellite USA-193, nonché sulla stima dei fattori di accomodamento del coefficiente di drag in condizioni di elevata attività solare;

• Partecipazione alla campagna internazionale annuale di previsioni di rientro promossa dallo IADC. MECCANICA DEI SOLIDI I risultati previsti nel corso del 2009 sono i seguenti: • Modelli per il comportamento termomeccanico di piastre multistrato e relativo codice di calcolo. • Modelli per il comportamento dinamico di strutture murarie snelle. • Studio del comportamento dinamico della Torre Rognosa di san Gimignano. • Studio dell'analisi limite di materiali non resistenti a trazione basata sulla minimizzazione dell'energia potenziale. • Studio del comportamento termomeccanico di una volta a crociera: confronto tra dati sperimentali e risultati

dell'analisi numerica eseguita col codice NOSA.

Potenziale impiego - per processi produttivi • Detriti spaziali: Elaborazione di standard e procedure per la mitigazione dei detriti orbitali, con impatto sulla

progettazione e fabbricazione di lanciatori e veicoli spaziali, nonché sulla gestione delle operazioni in orbita. • Palloni stratosferici: Test di tecnologie aerospaziali innovative da applicare a strumenti e velivoli di nuova

concezione. • Meccanica dei solidi e delle strutture: L'attività di ricerca è finalizzata allo studio di molti problemi applicativi

dell'industria meccanica, aeronautica e navale, ed in particolare alla messa a punto di strumenti di calcolo utilizzabili nella progettazione e nella verifica di componenti di impianti nei settori dell'industria siderurgica e dell'industria produttrice di refrattari.

- per risposte a bisogni individuali e collettivi • Previsioni di rientro: Gestione delle emergenze dovute al rientro incontrollato di satelliti potenzialmente

pericolosi negli strati più densi dell'atmosfera terrestre in supporto alle attività di protezione civile. • Detriti spaziali: Preservazione dell'ambiente circumterrestre per le applicazioni spaziali future. • Palloni stratosferici: Capacità di gestire voli di lunga durata ai poli, con ricadute positive sulla raccolta di

importanti dati ambientali (studio dei cambiamenti climatici) e scientifici (per esempio lo studio del fondo di radiazione cosmica).

• Meccanica strutturale: Il codice di calcolo agli elementi finiti NOSA, per l'analisi statica e dinamica di costruzioni in muratura, può essere impiegato per la pianificazione di interventi di restauro e salvaguardia del patrimonio architettonico nazionale.

Moduli

Modulo: Modelli matematici e metodi numerici per la dinamica del volo e la meccanica dei solidi



Metodi e algoritmi efficienti per la risoluzione di problemi complessi Dati generali

Progetto: Modellistica e Simulazione di Sistemi Complessi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: PAOLA FAVATI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca affrontate in questa commessa riguardano differenti settori applicativi e si articolano in: 1. Algoritmica per Web: 1.1 Analisi del Web Graph; 1.2 Web Information Retrieval; 1.3 Ricerca di documenti simili; 1.4 Classificazione automatica di documenti. 2. Equilibri in Giochi e Mercati. 3. Algoritmica per Reti Wireless: 3.1 Modelli e algoritmi per ridurre l'interferenza ed incrementare il più possibile la capacità delle reti wireless di tipo Mesh; 3.2 Studio di algoritmi per la propagazione rapida ed affidabile di messaggi di emergenza nelle reti wireless veicolari; 3.3 Algoritmi efficienti per applicazioni peer-to-peer in reti wireless di tipo Mesh. 4. Metodi numerici per problemi di grandi dimensioni: 4.1 Metodi di regolarizzazione per problemi discreti mal posti con applicazione alla ricostruzione di immagini; 4.2 Soluzione di sistemi lineari con matrici strutturate e non strutturate. 4.3 Metodi di decomposizione di domini e applicazioni.

Stato dell'arte 1. La ricerca di Informazioni su Web è emersa di recente come una nuova disciplina che, mantenendo stretti rapporti

con l'Information Retrieval classico, si specializza sul carattere ipertestuale e distribuito del WWW. È necessario adattare le tecniche di IR al nuovo contesto

2. La situazione attuale vede una prima sistematizzazione della complessità computazionale dei problemi di equilibrio.Recenti risultati teorici hanno individuato alcune linee guida riguardo la frontiera di trattabilità dei problemi. Prime implementazioni di alcuni algoritmi proposti per il calcolo di equilibri in giochi e mercati hanno messo in luce l'interesse pratico dei risultati conseguiti

3. Per quanto concerne i tre argomenti specificati per la tematica 3,la ricerca puòdare ancora risultati significativi,sia riguardo alle tecniche di analisi(specialmente per il problema 3.1) che riguardo allo sviluppo di algoritmi/euristiche efficienti, in termini di complessità computazionale e di overhead di comunicazione

4. La quarta tematica si colloca in un filone classico, ricco di risultati e di consolidati gruppi di ricerca nazionali ed esteri,nel quale si ritiene comunque di poter dare contributi con idee originali


Azioni

Attività da svolgere Per quanto riguarda la prima tematica si prevede lo sviluppo ed ingegnerizzazione di un servizio di monitoraggio dei contentui del WWW italiano (dominio .it) Progetto "Community Watch". È previsto inoltre lo sviluppo di interfacce per viste multi-dimensionali dei dati del WWW italiano. In relazione alla seconda tematica si prevede lo sviluppo di euristiche per il mercato delle adwords su Internet e di un ambiente software per la sperimentazione relativa. È prevista inoltre l'applicazione di tecniche di clustering per l'utilizzo di sinonimi nell'ambito di mercati di adwords Per quanto concerne la terza tematica si prevede: • sviluppo e test su testbed sperimentale di algoritmi di STDMA scheduling per reti mesh basati su modelli accurati

di interferenza; • sviluppo di algoritmi per la gestione efficiente delle reti wireless di tipo MIMO; • sviluppo di modelli per reti wireless MIMO che siano al tempo stesso accurati e trattabili da un punto di vista

analitico/algoritmico; • ulteriore sviluppo dell'analisi del tradeoff tra accuratezza e tempo di esecuzione di simulatori di reti wireless; • sviluppo di algoritmi P2P per reti wireless mesh che assicurino un buon bilanciamento del carico di rete. Per quanto riguarda la quarta tematica si prevede di studiare, sia per via teorica che tramite sperimentazione, le proprietà di stabilità di metodi fast per la risoluzione di sistemi Toeplitz-like: in particolare verrà analizzato il metodo di Levinson generalizzato. Proseguirà inoltre l'attività relativa a: • Simulazione numerica di dispositivi semiconduttori a scala nanometrica (nanowires…) con modellizzazione degli

effetti quantistici. • Testing del codice per la simulazione di fenomeni di infiltrazione in suoli parzialmente saturi, mediante

l'equazione di Richards, su griglie strutturate e non; porting sul cluster dell'IMATI ed eventuale sperimentazione di solver paralleli.

Punti critici e azioni da svolgere Come già evidenziato lo scorso anno,le attività di questo commessa,seppure articolate in diverse aree applicative,hanno in comune il fatto di essere ad alto rischio,i.e. non c'è garanzia che i risultati prefissati siano raggiunti anche se le competenze del gruppo e le esperienze acquisite in passato con problemi simili riducono il livello di rischio. Un secondo punto critico riguarda le risorse umane. La mancanza di posti a tempo indeterminato per i giovani porta alla perdita di personale già formato e al conseguente rallentamento delle attività in corso. Un terzo punto riguarda la necessità di formalizzare e rendere continuativa l'integrazione della dotazione ordinaria per far fronte alle spese di stampa della rivista internazionale Calcolo del CNR. Nel 2007, a seguito della nostra segnalazione sia in questa scheda che al presidente Pistella, sono stati assegnati alla commessa i 15000 Euro richiesti per questo scopo. Ènecessario che tale iniziativa non resti un episodio isolato.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze, presenti nella commessa e rilevanti ai fini del suo svolgimento, sono nei seguenti settori: analisi numerica, matematica discreta, teoria dei grafi, geometria e complessità computazionale, modellistica differenziale, calcolo scientifico ad alte prestazioni. In particolare per quanto riguarda la terza tematica il gruppo di ricerca ha acquisito negli anni una notevole competenza nello studio di proprietà fondamentali (connettività, capacità, tempo di vita della rete , ecc.) ed algoritmi per altri tipi di reti wireless, come le reti ad hoc e di sensori.

Strumentazione Per lo svogimento delle attività di ricerca relative alla prima tematica verrà utilizzato un Cluster di 6 workstations (3Ghz, 4GB RAM l'una)presso lo IIT. Per quanto riguarda la terza tematica di ricerca, si utilizzeranno simulatori di reti wireless di medio/grandi dimensioni. Per lo sviluppo di algoritmi paralleli e per simulazioni realistiche di problemi complessi ci si appoggerà al sistema di calcolo ad alte prestazioni dell'IMATI (Cluster Linux con 12 nodi, ciascuno con 2 cpu AMD Opteron 280 (2.4 GHz) dual-core equipaggiato con 8 GB di RAM) e alle risorse di calcolo messe a disposizione dal CAPSUR (IBM-SP5, HP GS1280).


Tecniche di indagine In riferimento alla prima tematica verrà adottata la seguente metodologia: raccolta di grandi quantità di dati dal WWW e predisposizione di prototipi ad alta prestazione in termini di scalabilità e qualità dell'output per la dimostrazione dell'efficacia pratica dei concetti algoritmici elaborati. Per quanto riguarda la seconda tematica le tecniche di indagine utilizzate saranno basate su strumenti di programmazione convessa. In particolare sull'estensione ad ambito convesso di teoremi di dualità ben consolidati nel caso della programmazione lineare. Per quanto riguarda la terza tematica, utilizzeremo tecniche di indagine di tipo analitico e probabilistico, che saranno utilizzate per lo sviluppo di algoritmi/protocolli ottimali. Allo stesso tempo, le soluzioni proposte verrano validate tramite simulazioni.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Le attività relative alla prima tematica saranno svolte in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Informatica dell'Università di Siena, con il Laboratorio di Information Retrieval dell' ISTI-CNR e con il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Modena e Reggio Emilia. Le ricerche relative alla seconda tematica prevedono le seguenti collaborazioni: Dipartimento di Computer Science della University fo Iowa, Toyota Technological Institute di Chicago e Dipartimento di Computer Science della University of Chicago. Le attività relative alla terza tematica saranno svolte in collaborazione con diversi gruppi di ricerca, quali il Georgia Institute of Technology ' USA (reti Mesh), la Stony Brook University ' USA (reti Mesh), il Dip. di Ingegneria dell'Informazione ' Univ. di Modena e Reggio Emilia (reti Mesh), la University of Karlsruhe, Germania (reti veicolari), il Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni, Università di Catania (algoritmi P2P per reti Mesh). La quarta tematica prevede collaborazioni con il Dipartimento di Informatica e il Dipartimento di Matematica dell'Università di Pisa e con il Dipartimento di Matematica dell'Università di Parma. Sono inoltre attive le seguenti collaborazioni: • CASPUR - Consorzio Interuniversitario per le Applicazioni di Supercalcolo Per Università e Ricerca. • Dipartimento di Matematica dell'Università di Pavia. • Dipartimento di Matematica e Fisica dell'Università Cattolica del Sacro Cuore, Sede di Brescia. • Dipartimento Terra e Ambiente ' Commessa : "Gestione sostenibile di acque interne" TA.P04.005 • Progetto Interdipartimentale Sicurezza ' Commessa: "Simulazione e valutazione di situazioni di rischio

ambientale" Modulo: "Simulazione numerica di situazioni di rischio ambientale derivante da incendi" INT.P01.005

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Proposta di progetto PRIN sul tema "Computational and Game-Theoretic Aspects of Uncoordinated Networks" • Proposta di progetto FIRB - Futuro in Ricerca su tematiche di sicurezza dell'informazione nelle reti pervasive. • Proposta di progetto ERC Starting Grant sul tema "MIMONet: Maximizing Capacity of Next Generation

Wireless Networks through Network-level Optimization of Wireless MIMO Technology" • Proposta di progetto POR - Regione Toscana su tematiche di Infomobilità. • Proposta di progetto STREP (VII PQ EU)-The VISTO project: VIsual STOryboard for Web Video Browsing • Collaborazioni con il Dipartimento Terra e Ambiente e il Progetto Interdipartimentale Sicurezza, nell'ambito di

quei moduli che richiedano simulazioni di elevata complessità computazionale tali da giustificare l'impiego di tecniche e competenze di calcolo avanzato.

Finalità

Obiettivi Gli obiettivi della ricerca legata alla prima tematica sono lo sviluppo di algoritmi efficienti e scalabili (e dei relativi prototipi dimostrativi) per il reperimento di informazioni sul World Wide Web che ne accrescano l'utilità dal punto di vista informativo. Per quanto riguarda la seconda tematica, l'obiettivo fondamentale è di capire la frontiera di trattabilità dei problemi di equilibrio, con particolare riferimento alle proprietà strutturali che rendono possibili, per giochi e mercati specifici, l'utilizzo di tecniche di programmazione convessa. Gli obiettivi delle attività di ricerca legate alle reti wireless sono la definizione, analisi, e validazione tramite simulazione di algoritmi efficienti per i tre filoni di ricerca 3.1, 3.2, 3.3 sopra elencati. Per quanto riguarda la quarta tematica, l'obiettivo fondamentale è l'analisi e sintesi di algoritmi efficienti per la risoluzione dei problemi 4.1 e 4.2 e 4.3


Risultati attesi nell'anno In relazione alla prima tematica i principali risultati attesi nell'anno sono: messa a punto di un prototipo del sistema "Community watch" e sua valorizzazione verso l'esterno tramite una fase di beta-testing; raffinamento delle capacità tecnologiche nel trattare grosse moli di dati. Per quanto concerne la seconda tematica i principali risultati attesi nell'anno sono: messa a punto di un simulatore di mercati di adwords a inizio della sperimentazione. Per quanto riguarda la terza tematica i principali risultati attesi nell'anno riguardano la messa a punto di: • algoritmi di STDMA scheduling; • algoritmi per la gestione efficiente delle reti wireless di tipo MIMO; • modelli per reti wireless MIMO che siano al tempo stesso accurati e trattabili da un punto di vista

analitico/algoritmico; • analisi del tradeoff tra accuratezza e tempo di esecuzione di simulatori di reti wireless; • algoritmi P2P per reti wireless mesh che assicurino un buon bilanciamento del carico di rete, e loro valutazione

tramite il simulatore GTNetS. In relazione alla quarta tematica ci si aspetta risultati teorici e sperimentali circa la stabilità del metodo di Levinson generalizzato. Messa a punto di codici per la simulazioni numeriche su architetture parallele e di supercalcolo. Si prevede che i risultati ottenuti nelle diverse aree di attività si concretizzino in pubblicazioni scientifiche, rapporti tecnici e presentazioni a convegni nei settori di competenza.

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi La ricaduta principale della ricerca relativa alla prima tematica è quella di fornire agli operatori del settore strumenti avanzati per monitorare lo stato del World Wide Web e poter così offrire agli utenti servizi migliori e personalizzati, sia per esigenze specifiche, sia per una visione globale degli andamenti e delle tendenze nello sviluppo del WWW. Per quanto riguarda la terza tematica, i protocolli sviluppati potranno essere molto utili per migliorare le prestazioni di reti wireless di tipo Mesh, e per consentire una effettiva utilizzazione delle reti veicolari. Moduli

Modulo: Metodi e algoritmi efficienti per la risoluzione di problemi complessi Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Metodi e algoritmi per la risoluzione di problemi complessi in ambienti di calcolo ad alte prestazioni

Istituto esecutore: Istituto di matematica applicata e tecnologie informatiche Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Piano annuale 2009 Progetto Int. 1 - Commesse

Ubiquitous Internet Dati generali

Progetto: Sicurezza Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: MARCO CONTI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca da affrontare si articolano in tre principali linee tematiche: • studio, definizione e validazione di nuove architetture di rete utilizzando i concetti di cross-layering, self-

organizing, opportunistic networking, delay tolerant network; • progettazione e valutazione di algoritmi, protocolli e servizi:

• protocolli di routing e algoritmi di instradamento, gestione delle risorse; • piattaforme e servizi middleware (piattaforme p2p, gestione dei dati in reti di sensori, servizi di service

discovery e location), • gestione di risorse di rete per garantire la qualità del servizio e massimizzare il tempo di vita della rete e/o

dei dispositivi nel caso di dispositivi con energia limitata (es. batterie). • Modelli, prototipi e strumenti per la valutazione delle prestazioni tramite analisi, simulazione e misure delle

soluzioni sviluppate. Sono oggetto di studio sia soluzioni per reti basate su infrastruttura che soluzioni per reti mobile "self-organizing', e ibride. Paricolare attenzione sarà dedicata all'utilizzo delle suddette teconologie di rete per realizzare servizi di comunicazione a supporto di politiche di sicurezza globali.

Stato dell'arte La possibilità di rendere ubiquitario l'accesso alla rete e ai servizi di Internet rappresenta uno dei principali obiettivi dell'Internet di prossima generazione. Infatti, il numero di utenti mobili supererà presto quello della rete fissa. Inoltre, la proliferazione di dispositivi mobili dotati di capacità di elaborazione apre ad un'era di comunicazioni ubiquitarie in cui un utente utilizzerà contemporaneamente diversi dispositivi per accedere alle informazioni (multimediali) dovunque ed ogni volta lo richiederà. L'Advisory Group per la Società dell'Informazione della Commissione Europea ha identificato come uno degli obiettivi preminenti del programma IST l'accesso all'informazione in ogni luogo ed in ogni momento; l'Ubiquitous Internet è identificato come una Key enabling technology della società dell'informazione e lo studio delle soluzioni per renderlo possibile costituisce una delle principali tematiche di ricerca, sul medio e lungo termine, della ricerca comunitaria. Affrontare la complessità di un Internet ubiquitario composto da componenti estremamente eterogenei in comunicazione tra loro sarà al centro delle attività di ricerca del Settimo Programma Quadro. Azioni

Attività da svolgere Le attività sono quelli previste nell'ambito dei progetti europei attivi nel 2008: HAGGLE, BIONETS e MEMORY, EU-Mesh e SOCIALNETS. Progetto HAGGLE: verrà svolta attività di ricerca teorica e sperimentale nel settore delle reti opportunistiche; le attività teoriche riguarderanno modelli ed algoritmi per la gestione delle risorse. Le attività sperimentali saranno finalizzate all'implementazione, nella piattaforma HAGGLE, degli algoritmi disseminazione delle informazioni. Progetto BIONETS: la ricerca sarà concentrata sullo studio e simulazione per la comunicazione affidabile in scenari di tipo "data mule". Progetto MEMORY: verranno sviluppati modelli analitici e simulativi per rappresentare il sistema visivo dell'uomo; verrà inoltre modellata la raccolta di informazioni in sistemi di "sensing" artificiali, quali le reti di sensori. Progetto EU-Mesh: Verrano implementati sul testbed mesh sviluppato nell'area della ricerca di Pisa gli algoritmi di routing in grado di supportare la QoS in reti mesh. Verranno inoltre sviluppati modelli ed algoritmi per l'allocazione delle risorse in reti mesh. Progetto SOCIALNETS: verranno sviluppati modelli ed algoritmi per la gestione dei contenuti nell'ambito delle reti sociali ed opportunisitche. Inoltre, nell'ambito di una collaborazione di ricerca tra IIT-CNR e Università di Pisa, sarà svolta un'attività di ricerca sperimentale per realizzare una rete cittadina di tipo Mesh (Pi-Mesh).


Punti critici e azioni da svolgere I punti critici sono relativi al personale causato dalla mancanza di posizioni a tempo indeterminato necessarie a stabilizzare almeno una parte dei brillanti giovani ricercatori che sono stati formati nell'ambito delle attività progettuali della commessa. Questo comporta due diversi problemi: i) difficoltà a trattenere nell'ambito della commessa i giovani dottori di ricerca formati nell'ambito della commessa e che costituiscono una risorsa estremamente preziosa (viste le competenze acquisite), per il completamento con successo dei molteplici progetti di ricerca comunitari in cui la commessa è coinvolta; ii) la mancanza di prospettive sul futuro dei giovani ricercatori rende estremamente difficile trovare neo-laureati interessati a svolgere un dottorato di ricerca all'interno del CNR. Infine, le attività di coordinamento assorbono completamente il personale "senior" della commessa. È necessaria pertanto una nuova risorsa con profilo di primo ricercatore per presentare e coordinare nuove iniziative di ricerca nell'ambito di FP7.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I ricercatori della commessa vantano un'esperienza decennale di ricerca sulle reti di calcolatori avendo contribuito alla nascita ed evoluzione della rete Internet in Italia. Dalla fine degli anni '90, le attività di ricerca sono focalizzate sull'evoluzione della rete Internet verso Mobile and Pervasive Internet con particolare attenzione alla convergenza tra World Wide Web e comunicazioni wireless/mobili. In questo settore sono state acquisite notevoli competenze attraverso la partecipazione (anche con ruolo di coordinamento) a progetti nazionali -- Progetto FIRB Virtual Immersive COMmunications (2002-2006), Progetto FIRB Performance Evaluation of Complex Systems (2002-2006), e Progetto MIUR-L 449/97: Reti INTERNET: efficienza, integrazione e sicurezza (2001-2005) -- ed europei -- Progetto IST Trusted and QoS-Aware Provision of Application Services (2002-2005) e Progetto FET-IST: Mobile Metropolitan Ad hoc Network (2002-2006). Questa attività progettuale ha permesso di acquisire approfondite competenze nella progettazione, valutazione e sperimentazione di architetture e protocolli per l'accesso mobile/nomadico ad Internet e per le architetture di rete di tipo MANET.

Strumentazione Dal punto di vista della strumentazione l'attività di ricerca si suddivide in due principali modalità: modellistica ed implementazione/sperimentazione. La parte modellistica (sviluppo e risoluzione di modelli matematici e simulativi) comporta in generale una quantità di calcolo significativa che è resa disponibile dal cluster di macchine con architettura multiprocessore dell'Istituto IIT. La parte di implementazione/sperimentazione utilizza dispositivi mobili di varie dimensioni e capacità: da laptop e PDA fino a nodi sensore. In particolare, è stata sviluppata una rete MANET con 23 nodi (Laptop/PDA) ed è stato creato un testbed per rete di sensori basato sulla tecnologia dei Berkeley Motes.

Tecniche di indagine Le metodologie di indagine si basano in primo luogo sull'utilizzo di modelli per caratterizzare e studiare le proprietà di architetture e protocolli in funzione del contesto di applicazione. In questa fase vengono principalmente usati modelli stocastici (catene di Markov, processi rigenerativi/semi-rigenerativi, modelli a coda) o, quando la complessità dei modelli matematici sia troppo elevata per procedere alla loro risoluzione, si utilizzano modelli di simulazione ad eventi discreti o modelli ibridi (tramite tecniche di decomposizione/aggregazione). Questa fase di studio è propedeutica alla progettazione/implementazione di una architettura di rete completa. Una volta progettato il sistema la tecnica di indagine si basa su misure sul campo. In questa fase vengono sviluppati prototipi (tipicamente utilizzando tecnologie open source) e vengono realizzati testbed sperimentali per misurare sul campo il comportamento del sistema sviluppato.

Tecnologie Modelli stocastici (catene di Markov, processi rigenerativi/semi-rigenerativi, modelli a coda) e modelli di simulazione ad eventi discreti

Collaborazioni (partner e committenti) Le attività sono svolte nell'ambito di progetti nazionali ed internazionali di cui i principali committenti sono la Commissione Europea e il MIUR. Tali progetti sono svolti in collaborazione con alcune delle principali università e centri di ricerca europei - University of Cambridge (UK),Institut Eurecom (France), Helsinki University of Technology (Finland), SUPSI e EPFL (Svizzera), Uppsala University (Svezia), Technion (Israele), Università di Budapest (Ungheria), Accademia delle Scienze Russa, Technical University of Berlin (Germania), Università di Atene, Università di Creta e Istituto Forth (Grecia) - e nazionali - quali, fra le altre Università di Roma 'La Sapienzà e 'Tor Vergatà, Università di Bologna, Università di Modena e Reggio Emilia, Università San Raffaele di Milano. In particolare in collaborazione con il dipartimento di ingegneria dell'informazione dell'Università di Pisa è stato creato un laboratorio congiunto: il Pervasive Computing and Networking Laboratory (PerLab) (http://www.perlab.it). Infine molteplici e rilevanti sono le collaborazioni con le principali istituzioni di ricerca USA: University of California, University of Texas, IBM research. Sono, inoltre attualmente in fase di definizione nuove collaborazioni finalizzate alla presentazione di progetti di ricerca nell'ambito FP7.


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate FP7 rappresenta la principale fonte per l'acquisizione di nuove entrate. Pertanto i ricercatori della commessa svolgeranno un ruolo estremanente attivo in tutte le iniziative relative ai programmi di finanziamento della Commissione Europea, partecipando alle chiamte del settimo programma quadro, partecipando ai gruppi di lavoro che definiranno i contenuti delle future chiamate e svolgendo il ruolo di revisore per la Commissione Europea. In particolare, nel corso del 2008, i ricercatori della commessa hanno partecipato attivamente al WG FIRE (Future Internet Research and Experimentation) che ha preparato la roadmap per la call FIRE 2009.

Finalità

Obiettivi La commessa ha l'obiettivo di sviluppare architetture, algoritmi e protocolli necessari per sviluppare l'ubiquitous Internet. Obiettivo da raggiungere attraverso la progettazione valutazione ed implementazione di architetture innovative per Ubiquitous Internet basate su paradigmi di networking senza infrastruttura (ad-hoc networking, opportunistic networking, delay tolerant network) e ibride e la loro integrazione con la rete fissa. Tali architetture verranno sviluppate utilizzando l'approccio innovativo del cross-layering e sviluppando nuovi protocolli di routing, forwarding, trasporto e piattaforme middleware per reti self-organizing. A supporto di queste attività devono essere inoltre sviluppati modelli analitici, ambienti di simulazione e prototipi. Obiettivo della commessa è la formazione di nuovi ricercatori attraverso l'organizzazione di un master universitario su Tecnologie Internet ed una scuola internazionale di dottorato su Future Internet. Completano gli obiettivi della commessa, la disseminazione delle conoscenze acquisite e dei prodotti sviluppati attraverso pubblicazioni, rapporti tecnici, seminari, organizzazione di conferenze, workshops, e gruppi di lavoro.

Risultati attesi nell'anno I risultati attesi corrispondono a quelli previsti nell'ambito dei programmi di lavoro dei progetti europei ai quali partecipiamo nel corso del 2009: Progetto HAGGLE: Modellizzazione e validazione degli algoritmi di disseminazione delle informazioni. Realizzazione di un prototipo del Progetto BIONETS: modellizzazione e valutazione di schemi efficienti di trasferimento dell'informazione in architetture "data mule". Progetto MEMORY: Modelli per lo studio del sensing umano e artificiale. Progetto EU-Mesh: Realizzazione dei moduli software per la realizzazione della rete EU-MESH Progetto SOCIALNETS: modelli ed algortimi per reti sociali ed opportunisitche.

Potenziale impiego - per processi produttivi Il potenziale impatto industriale della commessa è elevato in quanto si tratta di un passo fondamentale verso la realizzazione di applicazioni e sistemi mobili e pervasivi che costituiscono un obiettivo strategico per gli operatori e provider nel campo dei servizi mobili. Inoltre la rilevanza e l'attrattiva per gli utenti dei sistemi di comunicazione pervasivi apre il mercato alle SME e alla creazione di start-up. In particolare, lo sviluppo di servizi di comunicazione basati sul paradigma ad hoc (che non richiede grosse e costose infrastrutture) elimina/riduce le barriere di accesso al mercato permettendo il coinvolgimento di nuovi attori incluse SME e start-up. Inoltre le reti di sensori hanno molteplici campi di applicazione trasversali: dall'agricoltura di precisione alle applicazioni di controllo del territorio. Il paradigma di comunicazione basato sull'assenza di infrastruttura rende queste reti uno strumento fondamentale nell'ambito delle applicazioni di public safety e nell'affrontare situazioni di disaster recovery che rendano la rete basata su infrastruttura non utilizzabile. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le tecnologie di rete senza infrastruttura, o reti ad hoc, sono un importante strumento per realizzare politiche di sicurezza della società. In primo luogo possano sostituire/supportare i sistemi di comunicazione tradizionali in caso di emergenze dovute a disastri naturali, guasti e/o attacchi. Inoltre, le reti di sensori e RFID, possono essere utilizzati come strumento di prevenzione attraverso per il monitoraggio dell'ambiente e della società. L'accesso ubiquitario alle informazioni favorisce inoltre una più efficiente condivisione delle informazioni all'interno della società riducendo i tempi di accesso all'informazione. Allo stesso tempo lo sviluppo di sistemi efficienti di accesso ad Internet senza la necessità di complesse e costose infrastrutture rende possible ed economicamente efficiente l'accesso a larga banda alla rete anche nelle aree rurali e/o dove l'utilizzo di un'infrastruttura non sia economicamente giustificabile contribuendo quindi a ridurre il digital divide favorendo l'accesso alla rete anche a quelle porzioni della società che per localizzazione geografica o per motivi economico-sociali rimane esclusa. Moduli

Modulo: Ubiquitous Internet Istituto esecutore: Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle

telecomunicazioni Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Modulo: Ubiquitous Internet Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Sensori ed elaborazione segnali per la valutazione del rischio sulle strutture e sul territorio Dati generali

Progetto: Sicurezza Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: EMANUELE SALERNO Temi

Tematiche di ricerca • Sensori a ultrasuoni e procedure di acquisizione dati e rilevazione di difetti interni ad elementi architettonici. • Sistemi a microonde e algoritmi numerici per la ricostruzione di immagini tomografiche di oggetti in muratura. • Studio di algoritmi di dependent component analysis per la separazione cieca di componenti di immagini

iperspettrali provenienti da piattaforme di telerilevamento.

Stato dell'arte Le diagnosi non distruttive su strutture civili rivestono una grande importanza nel loro esercizio e manutenzione. Le indagini non distruttive a ultrasuoni sono utili a individuare anomalie interne. Risultati dello stesso tipo possono essere ottenuti anche per mezzo di campi elettromagnetici. La gestione del territorio si avvale già di notevoli moli di dati telerilevati, tra cui rivestono notevole importanza le immagini ad alta risoluzione spaziale e spettrale. L'uso di tecniche statistiche di analisi di immagini può consentire la determinazione della occupazione percentuale di ogni materiale spettralmente distinto all'interno di ogni singola cella di risoluzione spaziale (spectral unmixing). Azioni

Attività da svolgere Ricostruzione tomografica di profili di permittività Integrazione del nuovo solutore diretto all'interno della procedura di ricostruzione tomografica. Riconoscimento visivo Studio di fattibilità di un sistema di tracing personale basato su riconoscimento visivo in ambito aeroportuale.

Punti critici e azioni da svolgere Personale di ruolo: La diminuzione del personale a tempo pieno a causa dei numerosi pensionamenti pregiudica la capacità di attrarre finanziamenti da iniziative che prevedono una quota di cofinanziamento, e anche quella di aggregare un numero sufficiente di collaboratori. L'aggiunta al gruppo di ricerca di almeno un collaboratore che sia dipendente CNR a tempo pieno è una condizione necessaria per il futuro. Altri componenti potranno essere aggiunti sfruttando finanziamenti esterni. Entrate: Tutti i progetti da cui la commessa traeva risorse econonomiche si sono conclusi nel corso di quest'anno. La prosecuzione dell'attività è condizionata al reperimento di nuovi fondi. L'iniziativa ADHAM, avviata durante il 2008 è una delle azioni intraprese per ovviare al problema. Posto che non se ne conosce ancora l'esito, bisognerà in ogni caso proseguire nella ricerca di collaborazioni per la formulazione di ulteriori proposte di ricerca. Strumentazione e laboratori: Molta della strumentazione a disposizione è ormai fuori supporto da parte delle case costruttrici. Mentre l'acquisizione di nuovo materiale potrebbe non essere un problema se dovessero partire progetti dotati di risorse adeguate, l'attività di formazione e quella rivolta a preparare la nostra partecipazione a nuove iniziative ne risultano gravemente compromesse, insieme alla possibilità di portare avanti ricerca non legata a specifici finanziamenti.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Il gruppo di ricerca è composto da ingegneri, informatici e tecnici con competenze in sensoristica, realizzazioni elettroniche e meccaniche, elettromagnetismo, misure elettroniche, elaborazione segnali e immagini, progettazione di algoritmi e sviluppo software.

Strumentazione A supporto della ricerca c'è la disponibilità del laboratorio elettronico, con strumentazione per misure e realizzazioni nelle bande che vanno dalla continua ai 10 GHz, il laboratorio ultrasuoni, l'officina meccanica, e sistemi di calcolo


generali e dedicati, con software per l'interfacciamento tra computer e strumenti di misura e apparati di posizionamento.

Tecniche di indagine Le metodologie adottate per le attività qui descritte vanno dagli approcci teorici per l'ideazione e lo sviluppo delle procedure di elaborazione alle simulazioni numeriche e le sperimentazioni dirette per la validazione dei prodotti hardware-software realizzati.

Tecnologie La progettazione dei sensori e dell'eventuale elettronica di controllo è attuata con l'ausilio di software commerciali dedicati. Anche nella modellazione e nel progetto delle procedure di elaborazione gioca un ruolo fondamentale l'approccio di simulazione numerica.

Collaborazioni (partner e committenti) Progetti europei: • IST NoE MUSCLE. Collaborazione con istituzioni di ricerca: • Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Pisa • Istituto sull'Inquinamento Atmosferico CNR, Roma • Laboratorio de Sistemas Complejos, Buenos Aires

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate L'attività della commessa è legata alle risorse disponibili per il suo unico modulo costituente. I futuri bandi europei sui temi 'Security' e ICT del settimo programma quadro potranno aprire possibilità di ottenere ulteriori finanziamenti.

Finalità

Obiettivi L'obiettivo generale dell'attività di ricerca è di fornire strumenti utilizzabili sul campo per impieghi legati alla sicurezza del territorio e delle infrastrutture. Mentre una mole enorme di dati viene acquisita, non sempre ogni modalità di acquisizione dispone di tecniche per l'estrazione ottimale dell'informazione contenuta. Le attività della presente commessa vertono sugli aspetti della sensoristica e dell'elaborazione segnali e immagini per la soluzione di alcuni dei problemi citati. Un ulteriore passo da compiere, in futuro, sarà l'integrazione delle diverse modalità di indagine per la formazione di una piattaforma di supporto alla decisione.

Risultati attesi nell'anno Pubblicazioni scientifiche

Potenziale impiego - per processi produttivi La disponibilità di un sensore e una procedura completa di verifica dello stato interno di manufatti architettonici può trovare applicazione sia nelle attività di conservazione del patrimonio edilizio, specie di natura monumentale, sia nella programmazione degli interventi ordinari o di emergenza. Le tecniche di "blind spectral unmixing", consentendo la segmentazione e la classificazione di immagini telerilevate senza la conoscenza a priori della natura e delle caratteristiche radiative dei materiali presenti nella scena, si può dimostrare uno strumento importante nell'acquisizione di informazione finalizzata alla gestione delle emergenze derivate sia da eventi catastrofici sia da minacce a breve o lungo termine, a seconda che i dati provengano da piattaforma fissa, aerea o satellitare. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le esigenze di sicurezza sono ormai universalmente considerate tra le priorità da tenere presenti in tutte le attività tese a soddisfare bisogni quando ciò implichi l'impiego di risorse energetiche e del territorio. Lo sviluppo di tecniche per la diagnosi e il controllo sul posto e a distanza, che comprende le nostre attività di sensoristica e analisi dati, è uno strumento destinato a divenire sempre più importante in tutti i processi di sicurezza del territorio. Moduli

Modulo: Sensori ed elaborazione segnali per la valutazione del rischio sulle strutture e sul territorio



Sicurezza dell'informazione Dati generali

Progetto: Sicurezza Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: FABIO MARTINELLI Temi

Tematiche di ricerca Meccanismi di firma digitale e librerie crittografiche. Studio e implementazione di standard di sicurezza, di meccanismi di sicurezza per sistemi e servizi distribuiti e mobili, di meccanismi per il controllo di accesso ed uso a risorse condivise in organizzazioni virtuali (e.g. web services), anche in ambienti altamente dinamici, mobili e con meccanismi di comunicazione ad hoc, ispirati dalla biologia. XML security, document Engineering, document workflow, Web Services, Web Security. Valutazione e realizzazione della coerenza, interoperabilità, qualità e sicurezza della rete della P.A. in Toscana, integrata nel Sistema Pubblico di Connettività nazionale (SPC), con particolare riferimento alla gestione del Tuscany Internet eXchange point (TIX).

Stato dell'arte Strumenti e metodologie di sicurezza attualmente disponibili sono spesso utilizzabili solo per specifici ambiti e non risultano abbastanza flessibili. L'integrazione di più tecnologie è lo strumento vincente. Nell'ultimo anno sono stati ottenuti notevoli risultati componendo tecniche differenti, ma è necessario un loro ulteriore sviluppo ed integrazione che ne estenda da un lato il campo di utilizzo e dall'altro l'efficienza. Rispetto alle più recenti soluzioni di reti non strutturate (reti mobili e distribuite) le soluzioni di sicurezza applicate in questo momento sono spesso ad hoc e non tengono conto della eterogeneità della rete stessa e dei sistemi che la compongono. In particolare grande enfasi viene data all'utilizzo della biometria e ai modelli ispirati alla biologia. Anche l'ambiente XML e Web Services è in forte evoluzione: nuovi schemi e linguaggi sono stati recentemente sviluppati, ma la sfida è di far convergere il sempre più diffuso web sociale (wiki, blog, folksonomy) con le tecnologie più complesse del semantic web. Numerosi sono i progetti di ricerca nazionali (PON, FIT, FAR) ed europei (FP6 e FP7) che hanno finanziato e finanzieranno questi temi. Azioni

Attività da svolgere Le attività della Commessa verteranno su sicurezza di Internet del Futuro nella sua acccezione più ampia. In particolare prevediamo lo sviluppo delle seguenti attività: Architetture, protocolli e meccanismi di sicurezza; riservatezza delle informazioni personali in rete; firma digitale; metodologie e tecniche di identificazione e autenticazione biometrica; modelli, metodologie e strumenti per l'analisi, la validazione e simulazione di aspetti di sicurezza, fiducia e riservatezza; definizione di meccanismi ispirati alla biologia per la sicurezza dei sistemi informatici; definizione di nuovi paradigmi e relative implementazioni per garantire la composizione sicura di servizi web; sistemi di analisi integrata della fiducia (trust) e sicurezza; meccanismi di continuos usage control a livello middleware per reti eterogenee; modelli, metodologie e strumenti per la gestione sicura e affidabile di flussi documentali, aspetti di sicurezza ed e-government; potenziamento ed estensione delle tecnologie web, sarà approfondito lo studio di nuove tecnologie nell'ambito del mobile web e semantic/social web. Proseguirà la stretta collaborazione relativa al monitoraggio e validazione nel TIX.

Punti critici e azioni da svolgere Le attività sono svolte con un'elevata quota di finanziamenti esterni che consentono di attivare contratti temporanei per ricercatori giovani o esperti. Alcuni progetti avranno termine nel 2009 e questo rende, al momento, difficile pianificare le attività per gli anni successivi. Personale ricercatore nuovo a tempo indeterminato consentirebbe di stabilizzare le competenze acquisite, consolidare e potenziare i risultati raggiunti sul piano scientifico. Ciò permetterebbe di sfruttare il contesto attualmente favorevole, in cui molti soggetti (pubblici e privati) sembrano disposti a investire nella sicurezza e acquisire così nuovi finanziamenti esterni.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Protocolli e meccanismi di sicurezza per sistemi distribuiti; sistemi per la gestione del controllo accessi e della fiducia in ambienti mobili e distribuiti, metodi formali e rigorosi di analisi di proprietà di sicurezza, meccanismi di sicurezza e device mobili; gestione delle politiche di privacy; sicurezza per Mobile ad hoc Networks e Sensor Wireless


Networks; gestione di PKI; linguaggi e schemi basati su XML; metodi per la definizione di schemi concettuali, nei linguaggi dichiarativi e nei linguaggi di meta modelling; infrastrutture telematiche; network security.

Strumentazione L'attività richiede l'utilizzo di attrezzature informatiche e di rete standard, di dispositivi mobili (smartphones, PDA, ecc) dotati di particolari caratteristiche HW e SW.

Tecniche di indagine Metodi di analisi sia teorici che sperimentali,approcci model-based per lo sviluppo delle applicazioni di sicurezza già realizzate. Gli sviluppi teorici sono validati da sperimentazioni che a loro volta possono fornire utili indicazioni per indirizzare la ricerca teorica.

Tecnologie Firma e certificazione digitale, Autenticazione, Autorizzazione e controllo Accessi, tecnologie basate su XML, Java anche nelle edizioni "mobile", identificazione biometrica,middleware per comunicazioni e computazioni distribuite, web services, mobile ad hoc networks, devices mobili, etc'.

Collaborazioni (partner e committenti) Le attività sono svolte nell'ambito di progetti nazionali ed internazionali in collaborazione con alcune delle principali Univ. e centri di ricerca, con aziende private e PA: Univ. di Bologna, Univ. di Pisa, Univ. di Trento, Univ. di Twente (NL), Univ. di Cork (IR), University of Maryland (USA), University of Newcastle, British Telecom, CCLRC (UK), ERCIM, CSP ScRL (Torino), CREATE-NET (Trento), Infocamere ScPA (Padova),VPtech (Roma), Sogei SpA (Roma), Assosecurity (Torino), BiometriKa Srl (Forlì), SSI (Roma), Consorzio California (Pisa), TD-Group (Pisa), ISP del Registro del ccTLD.it, EurID Registro del ccTLD .eu (Bruxelles), Regione Toscana (Firenze), Comune di Livorno, IFC-CNR, ITTIG-CNR, ILC-CNR, URP-CNR, CNIPA, Camera dei Deputati, Senato della Repubblica, Presidenza del Consiglio, Telecom Italia S.p.A., Getronics S.p.A., Brain Tecnology S.p.A. DoCoMo Euro Labs.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Le competenze acquisite, gli strumenti sviluppati e la padronanza delle tecnologie specifiche ci consente di essere interlocutori validi con aziende interessate a investire nel campo della sicurezza per risolvere problematiche specifiche del proprio settore. Stiamo coltivando alcuni contatti già ben avviati con partner con cui abbiamo già collaborato (infocamere, ValueTeam/Tim) e stiamo stimolandone di nuovi (SSI e presidenza del Consiglio). Prosegue la collaborazione con la Regione Toscana su temi di interesse delle Rete Regionale, con la Camera dei Deputati. Continueremo a presentare proposte nei call nazionali e internazionali (Settimo Programma Quadro) per progetti e idee. Continueremo a studiare, sviluppare e realizzare strumenti di sicurezza per la registrazione di nomi a dominio per il ccTLD"it", contribuendo allo sviluppo di nuove procedure di registrazione.

Finalità

Obiettivi • Studio, progettazione e sperimentazione di modelli, metodologie e strumenti per ottenere un elevato livello della

protezione per Internet, utilizzando meccanismi adattivi e collaborativi • Ulteriore miglioramento nell'affidabilità e della sicurezza dei sistemi ICT e nella gestione di comunità e servizi

virtuali • Metodologie e strumenti per la confidenzialità, integrità, autenticità e non-ripudio delle informazioni,dei

documenti, ecc. • Metodologie e strumenti per la disponibilità ed affidabilità delle risorse e dei servizi • Gestione distribuita dell'accesso ed uso delle risorse e dei servizi • Gestione della identità digitale e delle relazioni di fiducia tra le entità • Documenti con semantica embedded utilizzabili non solo da umani ma anche da agenti software • Studio, sviluppo e realizzazione di strumenti innovativi per la gestione documentale sicura • Miglioramento dell'infrastruttura telematica della Toscana • Partecipazione a scuole di dottorato, master e gruppi di lavoro • Divulgazione dei risultati attraverso pubblicazioni, seminari, eventi • Attivazione di nuove iniziative per il reperimento di ulteriori finanziamenti

Risultati attesi nell'anno Miglioramento nell'affidabilità e della sicurezza dell'informazione; pubblicazioni e seminari; organizzazione di conferenze, workshops, scuole di dottorato, WG internazionali, ecc.; progettazione e realizzazione di strumenti e servizi innovativi; sperimentazione delle metodologie e degli strumenti; diffusione dei risultati e trasferimento di conoscenze e tecnologie. Studio, progettazione e sviluppo di strumenti sicuri innovativi per registrazione di nomi a dominio in modalità sincrona.


Potenziale impiego - per processi produttivi Gli strumenti sviluppati possono essere utilizzati nelle realtà e negli ambienti più eterogenei, per erogare servizi e utilizzare applicazioni necessarie nei vari processi produttivi: gli strumenti di autenticazione sono applicabili nei contesti più diversi; le tecniche di verifica basate su metodi formali sono utili nella fase iniziale di sviluppo dei sistemi distribuiti e mobili e sono essenziali nel prevenire gli attacchi possibili su sistemi; sistemi di workflow documentale sicuro permettono di gestire e ottimizzare molti dei processi produttivi specialmente in ambito amministrativo; gli strumenti e le procedure specifiche per l'e-goverment consentono il miglioramento del livello di sicurezza, coerenza, interoperabilità e qualità della rete della Pubblica Amministrazione, integrata nel Sistema Pubblico di Connettività Nazionale (SPC). Tutte le soluzioni studiate hanno la caratteristica di flessibilità e portabilità e sono basate su open source software. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Gli utenti dei servizi che usano gli strumenti proposti nella commessa hanno il vantaggio di accedere ad ambienti sicuri con modalità sicure, di utilizzare strumenti interoperabili, basati su software open source e quindi potenzialmente non gravati da costi di licenza. Moduli

Modulo: Sicurezza dell'informazione Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Servizi sicuri ed affidabili di e-government Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: XML Technologies For Semantic Web Applications and Secure Workflows

Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Trusted and mobile systems Istituto esecutore: Istituto di informatica e telematica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Valutazione e utilizzo di tecnologie geo-ambientali per safety e security Dati generali

Progetto: Sicurezza Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: ICT Responsabile indicato: ANDREA SCOZZARI Temi

Tematiche di ricerca La commessa è orientata allo sviluppo di metodi e tecnologie di sorveglianza e protezione, di derivazione geo-ambientale, nei seguenti ambiti applicativi: (i) sicurezza acquedottistica (modelli di dispersione, sensori ed analisi dei segnali per contaminazioni CBR), (ii) individuazione e studio di sostanze pericolose aeriformi (esplosive, tossiche o radioattive). All'interno di questi ambiti vi è una vasta ramificazione di competenze, che implica una elevata multidisciplinarietà degli afferenti alla Commessa. Per quanto riguarda la distribuzione idropotabile, l'attenzione è concentrata sugli aspetti chimici, considerando l'estensione agli aspetti batteriologici e radiologici tramite collaborazioni con altri gruppi; la sensoristica proposta è di tipo elettrochimico e di tipo ottico. Per quanto riguarda la rivelazione di sostanze aeriformi, le tematiche di ricerca si sviluppano secondo le seguenti linee guida: (i) sperimentazione e validazione di strumentazione analitica specialistica, (ii) sviluppo e sperimentazione di sensoristica ad-hoc per rivelazione di gas, (iii) sviluppo metodologico di applicazioni particolari

Stato dell'arte Non ci sono piattaforme specifiche CBR, salvo dispositivi specializzati per ciascuna delle tre categorie di minaccia. Questa considerazione costituisce un forte stimolo per lo sviluppo di piattaforme integrate, sia dal punto di vista tecnologico che sotto l'aspetto metodologico. Ovvero, parallelamente allo sviluppo di sensoristica innovativa, si ravvisa la necessità di mettere a punto metodologie e protocolli che permettano di sfruttare al meglio tecniche già mature e disponibili. Da questa esigenza è scaturita l'integrazione delle tre aree di competenza (sensori, segnali, modelli geochimici) alla base di questa Commessa. Per quanto riguarda i sensori per sostanze aeriformi, esistono svariati esempi di dispositivi tecnologicamente consolidati, le cui prestazioni vengono continuamente migliorate da una costante attività di ricerca e sviluppo, sia da parte di soggetti industriali che di ricerca; esistono di contro spazi nei quali operare per lo sviluppo di sensori ad-hoc di basso costo, distribuibili sul territorio, per i quali esistono ampi margini di innovazione nonché evidenti interessi industriali, scientifici, in diversi contesti specialistici attinenti tematiche di sicurezza Azioni

Attività da svolgere Le attività relative ai Moduli afferenti questa Commessa e descritte nei rispettivi paragrafi sono sintetizzate di seguito: • sviluppo di sensori colorimetrici ed elettrochimici per la determinazione di composti chimici pericolosi in

atmosfera e nelle acque • applicazione di metodi di feature extraction a serie di dati relativi al monitoraggio di sistemi naturali • tecniche di identificazione dei sistemi, finalizzate allo studio di vulnerabilità, impatto, e baseline naturali • didattica in Centro America per il progetto di formazione in Analisi e Valutazione delle Pericolosità Naturali • attività di studio dell'area Flegrea • rapporto finale sulla gestione delle stazioni geochimiche di monitoraggio in Toscana • caratterizzazione chimica dei Composti Organici Volatili (COV) nel biogas e composizione isotopica del 13C

nella CO2 e nel CH4 • approfondimento sulle interazioni fra reflui di discarica e acque sotterranee e superficiali Queste attività evidenziano un concetto di interazione tra Moduli che privilegia le specificità di ciascun gruppo (INT.P01.016.001 per l'aspetto sensoristico, INT.P01.016.002 e .003 per l'aspetto analitico, INT.P01.016.004 per l'aspetto applicativo e modellistico)


Punti critici e azioni da svolgere I principali punti critici emersi dalle previsioni relative a ciascun Modulo sono: • nuovi sviluppi nello studio di tecniche di monitoraggio da contaminazioni CBR della risorsa idropotabile saranno

essenzialmente legati alle risorse finanziarie disponibili • la collaborazione con entità della comunità scientifica che apportino conoscenza nei settori delle minacce

batteriologice e radiologiche • necessità di garantire una routine analitica presso IGG, che consenta la permanenza in El Salvador di almeno tre

mesi. • per quanto riguarda la sorveglianza delle risorse idropotabili un punto critico è la calibrazione dei modelli

matematici per la determinazione di zone di vulnerabilità • è in generale lamentata la carenza di finanziamenti istituzionali Fra le azioni da svolgere si menzionano: • determinazione delle reazioni chimiche per la ottimizzazione dei metodi di rivelazione nello sviluppo sensoristico • sviluppo di un sistema software ottimizzato per la piattaforma computer screen photoassisted technique • individuazione e miglioramento di collaborazioni con Istituti ed Aziende specializzate in sorveglianza

batteriologica e radiologica

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine IGG dispone di competenze e strutture, storicamente destinate ad analisi e monitoraggi di tipo geochimico, che ben si adattano ad attività di validazione e caratterizzazione di sistemi di misura innovativi, nonché all'ottimizzazione dello sfruttamento di tecnologie esistenti. Le competenze presenti in IGG e messe a disposizione della Commessa si possono sintetizzare nei seguenti settori disciplinari: (i) geochimica dei fluidi, (ii) chimica analitica strumentale, (iii) analisi di segnali. Le competenze di IDAC attengono capacità progettuali e realizzative per sensori di grandezze fisiche, chimiche e biologiche. Sono inoltre presenti competenze comprovate per la progettazione di nasi e lingue elettroniche, i primi per la realizzazione di immagini olfattive di composti volatili, le seconde per la determinazione di immagini chimiche di liquidi, in particolare di acque. Ulteriori competenze riguardano l'analisi di dati con tecniche avanzate del tipo PCA, PLS ed altre idonee per sistemi multisensore. Infine esistono competenze per la taratura di sensori e matrici di sensori, nonché per la determinazione del rumore elettronico e chimico indispensabili per la stima della risoluzione.

Strumentazione IGG dispone di strumentazione e laboratori, storicamente destinati ad analisi e monitoraggi di tipo geochimico, che sono perfettamente disponibili ed adattabili per scopi di validazione e caratterizzazione di sistemi di misura innovativi. Tra gli strumenti disponibili per la Commessa e che vale la pena ricordare vi sono: 2 GC/FID, 2 GC/TCD, un GC/MS a quadrupolo, 2 cromatografi ionici ed uno spettrometro ICP. IDAC rende disponibili strumenti standard da laboratorio per il collaudo di sensori e matrici di sensori, per il dosaggio e l'analisi di gas standard, e di liquidi standard per la lingua elettronica.Presso il Dip. Di Chimica della Università di Tor Vergata è disponibile un tipo di strumentazione per la gas cromatografia e microscopia a forza atomica per l'analisi di composti e di superfici di materiali chimicamente sensibili. Sono poi disponibili tecnologie del film sottile con le relative apparecchiature e, presso IDAC, camere gialle per processi di litografia ottica. Infine, sono disponibili apparati che sfruttano i fotoni di schermi di PC come sorgente di luce per lo studio di processi di adsorbimento in materiali (anche liquidi), impiegati per la sensoristica chimica

Tecniche di indagine Uno degli aspetti caratterizzanti questa Commessa è il rapporto sinergico tra le tecniche analitiche tradizionali (utilizzate a scopo di validazione) e le tecniche misuristiche innovative, che vengono così sperimentate e validate. Come già accennato nel paragrafo relativo allo stato dell'arte, saranno anche indagate le possibilità di sfruttare al meglio talune tecniche analitiche tradizionali, già mature e disponibili. Infatti, è ragionevole ritenere che tecniche di misura ambientale di tipo maturo siano direttamente trasferibili in ambito di sicurezza, mediante opportuni approcci metodologici e/o metodi innovativi di analisi dei dati. Parallelamente, l'esperienza già acquisita nello sviluppo di sensoristica specifica (in via particolare da parte di IDAC), sarà messa a disposizione della Commessa. L'ampiezza dei settori disciplinari coperti da questa attività lascia presagire un progressivo coinvolgimento di risorse ed esperienze in un'ottica di multidisciplinarietà.

Tecnologie Riguardo la determinazione della qualità dell'acqua tramite metodologie non tradizionali, lo sviluppo di sensori chimici dedicati a questo tipo di applicazioni è generalmente basato su array di rivelatori a bassa selettività.Esistono metodologie mature derivanti dalla elettrochimica tradizionale, capaci di fornire una informazione complessiva di qualità (nel senso chimico/fisico), il cui trasferimento nell'ambito applicativo della sicurezza risulta attualmente assai interessante; da questo punto di vista, sono prese in considerazione tecniche elettrochimiche sia di tipo voltammetrico che potenziometrico.Attenzione viene anche rivolta all'utilizzo di materiali speciali chimicamente sensibili ed a metodi ottici innovativi, che consentano applicazioni di spettro-fotometria facilmente eseguibili in campo Inoltre, sarà


fatto uso di tecniche di misura dei gas disciolti già sperimentate da IGG in ambito di sorveglianza geochimica.Per quanto riguarda il monitoraggio di sostanze pericolose in fase gassosa, data la vastità dello spettro delle possibili sostanze da indagare e delle relative esigenze di misura, si utilizzeranno sia dispositivi analitici tradizionali che nuovi sensori.

Collaborazioni (partner e committenti) Esiste già una situazione di collaborazione, principalmente a livello di scambio di persone e di pubblicazioni in comune, con le seguenti istituzioni internazionali: (i) ORU (Università di Orebro, Svezia), (ii) Trofimuk UIGGM SB-RAS (Trofimuk United Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy, Accademia Russa delle Scienze, Novosibirsk, Russia), (iii) DTI-IEGE (Design and Technological Institute of Instruments for Geophysics and Ecology, Accademia Russa delle Scienze, Novosibirsk, Russia). Riguardo la collaborazione con la Russia, attenzione sarà rivolta alle opportunità di finanziamento per azioni di supporto in ambito FP7. Relativamente ad IDAC, sono attive collaborazioni saltuarie con l'Università di Mancester(UK) con cui esiste scambio di studenti, con l'università di Montreal per le misure di rumore, e con la Università della Pennsylvania (Philadelphia) dove attualmente esistono due nostri studenti in formazione con l'obiettivo finale di due PhDs. Numerose altre collaborazioni sono di breve durata(alcuni mesi e dorientate a cicli di misure). Infine si segnala una recente collaborazione con la Russia, nell'ambito dello studio di nuovi sensori ad onda acustica superficiale.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Le iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate sono riassunte di seguito: • iniziative in ambito "Science for Peace and Security" presso la NATO • possibilità di partecipazione a progetti europei • attività di divulgazione e percorsi informativi in Centro America • partecipazione a progetti POR regionali • avvio di nuovi contatti con enti provinciali e pubblici in genere • attività con utenti finali quali le Società acquedottistiche

Finalità

Obiettivi La commessa vuole approfondire le conoscenze utili per la valutazione, definizione ed operatività di piattaforme tecnologiche e metodologie di sorveglianza di derivazione geo-ambientale, finalizzate ad applicazioni di sicurezza. Inoltre, le capacità progettuali e realizzative per sensori di grandezze fisiche, chimiche e biologiche, nonché di analisi del segnale, consentiranno lo studio di metodi e dispositivi innovativi orientati ad applicazioni per la sicurezza. Infatti, è ormai assodato che la fusione delle informazioni provenienti da un set di sensori di diversa selettività può contribuire a formare una piattaforma potenzialmente capace di rivelare una vasta gamma di agenti tossici e/o inquinanti, e molta della letteratura internazionale recente è orientata alla sperimentazione di matrici di questo tipo.

Risultati attesi nell'anno I principali risultati attesi sono i seguenti: • realizzazione di un prototipo di sensore colorimetrico embedded in dispositivi di consumo (es. notebook) per la

rivelazione di contaminanti in acqua • risultati nello studio di metodi di analisi e feature extraction a dati telerilevati, immagini biologiche, segnali

derivanti da rilevamento geochimica ed elettromagnetico dell'ambiente • sperimentazione di tecniche innovative di misura in tempo reale, con particolare riferimento a tecniche innovative

di tipo ottico ed elettrochimico per la determinazione della qualità dell'acqua, in sinergia tra i Moduli INT.P01.016.001 ed INT.P01.016.002

• completamento della prima parte del progetto sui rischi naturali in Centro America • inizio di una attività sistematica di misurazione del radon alla solfatara di Pozzuoli • rapporto finale di gestione delle stazioni di monitoraggio in Regione Toscana • miglioramento metodologico per l'ottimizzazione della posa in opera di coperture nei siti di smaltimento rifiuti,

orientata alla riduzione dell'emissione di gas pericolosi • individuazione di elementi chimici-isotopici naturalmente presenti in acqua utilizzabili come traccianti di

contaminazione

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le applicazioni descritte hanno una immediata ricaduta nei riguardi della collettività, e, con l'apporto di finanziamenti opportuni, parte di esse sarebbero già ad un sufficiente grado di maturazione per una fase di ingegnerizzazione e successiva verifica in situazioni reali.


Moduli

Modulo: Sensori per la sicurezza Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica ex Sperimentale di Acustica "Orso

Mario Corbino" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Metodologie innovative di sorveglianza della qualità dell’acqua Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Validazione di strumentazione e metodologie per la rivelazione di gas Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Geochimica applicata allo studio dell'origine e del destino di contaminanti Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Processi di membrana nella comunicazione intra- ed inter-cellulare Dati generali

Progetto: Biofisica e Soft Matter Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biofisica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: FRANCO GAMBALE Temi

Tematiche di ricerca Caratterizzare i trasportatori di membrana e integrare gli approcci interdicisplinari già in uso basati su metodiche di elettrofisiologia, biochimica, microscopia e biologia molecolare con altri approcci innovativi finalizzati alla realizzazione di biomateriali innovativi e biodispositivi: determinazione della struttura di proteine, interazioni cellulari a livello micro- e nano-molecolare, biocompatibilità di membrana, risposta di cellule/organismi sotto stress, protocolli di biomonitoraggio.

Stato dell’arte Il novero dei processi fisiologici che coinvolgono il funzionamento dei trasportatori di membrana è aumentato a dismisura con l’avvento delle metodiche di patch-clamp e di biologia molecolare. Questi studi riscuotono l’interesse della comunità accademica internazionale e l’attenzione di chi opera nel campo dei biomateriali, dei dispositivi, delle microscopie avanzate, delle nanobiotecnologie, della biosicurezza e nell’industria farmaceutica, biomedicale ed agroalimentare. Azioni

Attività da svolgere Nel 2009 proseguirà l’attività di gran parte delle ricerche in atto nell’anno precedente, in particolare: • Si intende effettuare misure combinate di patch-clamp e fluorescenza su canali e trasportatori vegetali con

particolare attenzione allo studio della permeabilità di protoni mediante la sonda raziometrica BCECF; proseguire lo studio della modulazione di canali ionici vegetali indotta da flavonoidi e l’analisi dei dati riguardanti misure di capacità effettuate per investigare il meccanismo di accoppiamento tra protoni e saccarosio nel cotrasportatatore vegetale ZmSUT1. Infine si intende caratterizzare le correnti elettroniche in citocromi vegetali ed animali mediante voltage-clamp a doppio microelettrodo su ovociti di Xenopus.

• Per chiarire i meccanismi di azione del campo elettromagnetico (CEM) sugli enzimi ancorati a lipidi di membrana, si intende incorporare gli enzimi in membrane artificiali di composizione nota e variabile. Si intende inoltre misurare le attività enzimatiche in presenza del CEM e monitorare parametri caratteristici della membrana, quali fluidità, formazione di cluster lipidici e proteici mediante tecniche di microscopia e fluorescenza. Gli enzimi utilizzati saranno adenilato cinasi, fosfatasi alcalina, acetilcolinesterasi, fosfoglicerato e carbonico anidrasi estratti sia dai dischi dei bastoncelli che nei sinaptosomi di retina o in altro tessuto nervoso. Si misureranno inoltre gli effetti del CEM sul’attività dell’enzima CA-ATPasi e si determineranno le eventuali variazioni della Vmax e della Km nelle condizioni di funzionamento come ATP-sintasi.

• Si intende studiare la struttura del poro di leucotossine di S. aureus mediante Atomic Force Microscopy (AFM), il poro di perforina in membrane piane e “giant vesicles” (per similitudine con quello di listeriolisina); l’interazione di difensine vegetali con membrane cellulari e modello; l’interazione con la membrana e la struttura di a-sinucleina coinvolta nel Morbo di Parkinson ed un eventuale suo sinergismo con peptidi b-amiloidi coinvolti nella Malattia di Alzheimer.

• Si intende proseguire lo studio delle proprietà strutturali e funzionali del recettore purinergico P2X7 su astrociti e terminali nervosi. La relazione tra efflusso di glutammato e canali anionici sensibili a variazioni di volume cellulare. La relazione tra morte cellulare ed attivazione dei recettori P2Y6. Inoltre si intende studiare il ruolo dei recettori purinergici nel sistema uditivo: le cellule ciliate della coclea.

• Si intende proseguire lo studio dell’eteromerizzazione dei canali al potassio di piante con particolare interesse alla stechiometria di tali canali. A tale scopo verranno utilizzate tecniche di fluorescenza quali FRET. Per quanto riguarda la permeazione di ioni attraverso tali canali, avvalendosi di tecniche di biologia molecolare ed elettrofisiologia si intende individuare gli aminoacidi importanti nella selettività del canale ai vari ioni. Questo studio verrà correlato possibilmente con un modello strutturale ottenuto dalla dinamica molecolare.

• Si intende continuare lo studio con i peptidi di sintesi della discrepina sul blocco delle correnti transienti di tipo IA del potassio nei granuli cerebellari di ratto. Sul medesimo modello sperimentale e con lo stesso obiettivo, si intende identificare nuove molecole con alta affinità per i canali del potassio delle membrane neuronali. Nell’ambito della collaborazione CNR/CONACyT, si intende effettuare uno screening elettrofisiologico di tossine isolate da due nuove specie di scorpioni Messicani: Vejovis mexicanus e Vejovis kochi; completare uno


studio immunoistochimico ed elettrofisiologico sul riconoscimento e localizzazione dei canali transienti nei neuroni, per individuare quale sottoclasse di canale del potassio esprima correnti di tipo IA nel nostro modello cellulare.

• Oltre a proseguire le ricerche sulle proprietà di granulociti, miociti e microglia, del recettore purinergico P2X7 e del recettore B2 della bradichinina, si intende approfondire l’argomento dell’espansione in vitro e dell’utilizzo delle cellule staminali mesenchimali umane a fini trapiantologici e di medicina rigenerativa.

Punti critici e azioni da svolgere Si intende reperire risorse attraverso stesura di progetti nazionali e internazionali allo scopo di rinnovare la strumentazione scientifica e rafforzare le collaborazioni internazionali. Si intende procedere ad effettuare pubblicazioni su riviste internazionali, brevetti, protocolli di ricerca in cui si riportano i risultati di tutte le attività sopra descritte.


Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Università Bari, Bologna, Genova, Milano, Napoli, RomaI e II, Padova, Trento, Verona. Università Amburgo, Colonia, Darmstadt, Potsdam, Tubinga, Wuerzburg, GER; Barcellona, SP; Mexico; Utah, Berkeley, Los Angeles, Nebraska, S.Francisco, USA; Bristol, Cambridge, UK; Strasburgo, INRA/ENSA-M/CNRS FR; Lubiana-SL; USTC Hefei Ci; Avana CU; Copenhagen SV; New Delhi IN; Zürich SW. Centro Biociencias, IDEA e IVIC Caracas VE. Max Planck Inst. Frankfurt; Osp. Gaslini GE, Istituto Agrario e ITC-IRST TN.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate **Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per Imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali”.** Partecipazione a progetti nazionali e internazionali. Ipotesi di collaborazione con il settore privato. Sono state avanzate o sono in procinto di essere avanzate le seguenti proposte di progetti di Ricerca o di borse di studio: • progetto Compagnia di S. Paolo, programma “Neuroscienze” • rinnovo progetto bilaterale Italia-Slovenia • Fondazione Caritro progetto per giovane ricercatore • Borsa L’Oreal per giovane ricercatore • Progetti PRIN e FIRB • Progetti Regionali Tre progetti presentati alla Compagnia di San Paolo, programma neuroscienze. Progetto con una PMI Linear. È in corso di acquisizione un finanziamento da parte della Regione Liguria che però verrà gestito direttamente dal Centro di Biotecnologie Applicate (CBA) di Genova.

Finalità

Obiettivi Acquisizione di nuove conoscenze necessarie per il potenziale utilizzo di sistemi cellulari per la realizzazione di bio-dispositivi e bio-sensori, per test di biocompatibilità di materiali, e per altre applicazioni nell’industria biomedica, farmaceutica e agroalimentare. Le competenze tecniche esistenti in ambito IBF per studi di elettrofisiologia, biologia molecolare, microscopie avanzate e biochimica sono di avanguardia e sufficienti per gli scopi previsti.

Risultati attesi nell’anno Pubblicazioni scientifiche e brevetti sulle attività descritte sopra.

Potenziale impiego - per processi produttivi


- per risposte a bisogni individuali e collettivi Moduli

Modulo: Processi di membrana nella comunicazione intra- ed inter-cellulare Istituto esecutore: Istituto di biofisica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Meccanismi molecolari della permeabilità di membrana Dati generali

Progetto: Biofisica e Soft Matter Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di biofisica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: MICHAEL PUSCH Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche della commessa comprendono l’analisi della relazione tra struttura e funzione di canali/recettori postsinaptici glutamatergici e di canali e trasportatori del tipo CFTR e CLC. Per i canali/recettori glutamatergici viene inoltre studiata l’interazione con metalli pesanti la cui tossicità si esplica mediante un’interazione diretta del metallo con la proteina canale con conseguente alterazione delle caratteristiche funzionali. Per quanto riguarda i canali CLC ci si propone di approfondire i meccanismi molecolari del funzionamento, in considerazione soprattutto delle importanti funzioni fisiologiche svolte e del loro coinvolgimento in almeno cinque patologie genetiche diverse. Per le proteine CFTR e CLC vengono sviluppati e studiati nuovi strumenti farmacologici di interesse per il trattamento delle malattie genetiche, in particolare per la fibrosi cistica, che è la malattia genetica letale più frequente. Sono sempre in sviluppo nuove tecnologie e metodi.

Stato dell’arte Il coinvolgimento dei recettori del glutammato nella tossicità operata dai metalli pesanti a livello neuronale è stato descritto da tempo. In questo ambito ci proponiamo di caratterizzare gli effetti funzionali del Pb, potente agente neurotossico, sui recettori NMDA e più specificatamente di individuare i determinanti strutturali dell’inibizione di questo metallo sulla corrente del canale. Nonostante la proteina CFTR, un canale di struttura atipica in quanto membro di una famiglia di trasportatori, venga studiata da 15 anni, non è disponibile una terapia “molecolare” della fibrosi. Per progredire nel campo progettiamo e analizziamo piccole molecole che funzionino come attivatori della CFTR nell’ottica di individuare terapie efficaci. Almeno 5 delle 9 proteine CLC sono coinvolte in patologie genetiche. Per molte di esse i meccanismi del trasporto sono oscuri. In particolare non é chiaro come i CLC canali si distinguono da quelli che sono cotrasportatori. Intendiamo affrontare questa problematica e studiare e progettare molecole che interagiscano con proteine CLC con possibili applicazioni biomediche. Azioni

Attività da svolgere Proseguiremo lo studio dei siti di modulazione presenti sul canale attivato dal glutammato di tipo NMDA. Ci si propone di valutare l’effetto di diversi agenti sul sito redox già individuato in questa proteina. In particolare, gli agenti (riducenti) che distruggono il ponte disulfuro fra Cys744 e Cys798 sulla subunità NR1 inducono un aumento della corrente attraverso il canale NMDA, che potrebbe in certi casi portare a degenerazione neuronale. Per la CFTR si prevede di raffinare i modelli molecolari al calcolatore, di proseguire lo studio di mutazioni sito-specifiche per la localizzazione del sito di legame dei potenziatori e di procedere alla caratterizzazione biochimica e strutturale dell’interazione dei NBD della CFTR mediante l’uso di proteine ricombinanti. Si procederà alla ricerca di nuovi farmaci in silico. Per i canali e trasportatori del tipo CLC si intende proseguire lo studio dei meccanismi molecolari del potenziamento dei CLC-K da parte del NFA e del calcio, del meccanismo della regolazione del trasportatore CLC-5 da parte di nucleotidi, e il meccanismo della selettività ionica del CLC-5.

Punti critici e azioni da svolgere Poiché, nel caso del canale NMDA, è ancora a tutt’oggi difficile disporre di popolazioni di cellule transfettate che esprimano il recettore in modo omogeneo (utilizzabile per esempio anche in sistemi HT), verranno valutati diversi sistemi di transfezione utilizzando saggi funzionali di fluorescenza sensibile al calcio. Su modelli cellulari precedentemente caratterizzati per l’effetto dei metalli (ovvero colture di neuroni nativi e sistemi di espressione eterologa), verrà studiata l’attività di agenti ossidanti e riducenti che possono modulare l’attività del recettore. L’implicazione del sito redox sarà evidenziata con mutazioni specifiche delle cisteine implicate. Per la CFTR proseguirà la caratterizzazione biochimica e strutturale dei domini leganti nucleotidi (NBD) della CFTR. Si studierà la struttura dei NBD mediante lo scattering di raggi-x a basso angolo (SAXS). La caratterizzazione strutturale sarà integrata da misure funzionali di trasporto di cloro e da modelli molecolari al calcolatore. Le proteine CLC saranno studiate con tecniche elettrofisiologiche ad alta risoluzione e verranno introdotte mutazioni sito-specifiche per determinare i residui coinvolti nel legame dei potenziatori e per determinare i recettori dei protoni. Inoltre verranno condotti esperimenti in configurazione inside out per determinare la sensibilità delle proteine CLC-5 ai nucleotidi intracellulari.



Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) • Lab. Genetica Molecolare, Ist. Gaslini, Genova • Lab. Medicina Molecolare, Ist. Gaslini, Genova • Dipartimento Farmacobioogico, Università Bari • Department of Physiology, University of Bristol, UK • Scientific Park of Barcelona, Institute of Biomedical Research, Spagna • Centro di Biologia Molecolare Neuronale, Università Amburgo, Germania • Istituto di Fisiologia, Università Tubinga, Germania • Istituto di Fisiologia, Università Würzburg, Germania • Centro de Biociencias y Medicina Molecular, Instituto IDEA, Venezuela • Dipartimento di Biochimica, Università di Brandeis, Waltham, USA • USTC, Hefei, Cina

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate **Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per Imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali.** Si intende attivarsi per presentare progetti in ambito europeo (VII Programma Quadro). Inoltre si cercherà di ottenere finanziamenti dalla Compagnia San Paolo.

Finalità

Obiettivi Obiettivo principale della commessa è l’acquisizione di nuove conoscenze sui meccanismi molecolari della permeabilità delle membrane biologiche, attraverso lo studio dettagliato di alcuni canali/trasportatori di particolare interesse. Oltre a ciò intendiamo utilizzare le tecniche e conoscenze per affrontare problemi di interesse biomedico. In questo ambito possono essere perseguiti tre obbiettivi: identificazione di bersagli molecolari specifici per metalli pesanti localizzati sui recettori di tipo NMDA e coinvolti nei meccanismi di neurotossicità ; identificazione di attivatori della proteina CFTR per lo sviluppo di una terapia della fibrosi cistica; comprensione dei meccanismi di funzionamento delle proteine CLC e sviluppo di strumenti farmacologici per le proteine CLC che agiscano come rimedi alle patologie genetiche e altre patologie diffuse.

Risultati attesi nell’anno Validazione di vari metodi per la transfezione e messa a punto di un metodo che permetta di visualizzare e quantificare mediante saggio funzionale le cellule transfettate. Caratterizzazione dell’effetto di diversi agenti sul sito redox. Risoluzione della struttura dei domini leganti nucleotidi della CFTR a bassa risoluzione. Identificazione di nuovi potenziatori della CFTR. Identificazione del sito di legame del NFA sui canali CLC-K. Comprensione della modulazione del CLC-5 da parte del pH e dei nucleotidi, e l’identificazione di amminoacidi coinvolti nel meccanismo di accoppiamento e selettività ionica del CLC-5.

Potenziale impiego - per processi produttivi Potenzialmente, sostanze sviluppate nell’ambito di questa commessa potrebbero servire come molecole lead per l’industria farmaceutica. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Un programma di acquisizione dati, sviluppato in questa commessa a Genova e in continua evoluzione, viene utilizzato dalla ditta “Nanion”, Monaco, GER e da altri gruppi di ricerca nel mondo.


Moduli

Modulo: Meccanismi molecolari della permeabilità di membrana Istituto esecutore: Istituto di biofisica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Mezzi d’indagine, tecnologie e nuove competenze Dati generali

Progetto: Biofisica e Soft Matter Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: ELPIDIO TOMBARI Temi

Tematiche di ricerca • Sviluppo di:

• uno spettrometro EPR in alto campo • risuonatori aperti ad onda millimetrica per misure EPR e dielettriche e sensoristica • sistemi per la microscopia ottica confocale • calorimetri multimodo progettati per applicazioni specifiche • un rivelatore di tensione superficiale e di viscosità per proteine e polimeri in soluzione

• Applicazione delle tecniche termodinamiche allo studio di reazioni di complessazione e di struttura delle miscele. • Applicazioni della calorimetria allo studio della struttura nanofasica e interfasica di sistemi polimerici e delle loro

proprietà termodinamiche. • Determinazione e gestione del rumore ambientale e diffusione della relativa normativa. • Caratterizzazione di proteine, composti tiolici e nitrosotioli in fluidi biologici. • Determinazione di elementi tossici nella produzione di energia e speciazione di elementi negli alimenti. • Analisi ambientale e di tossicità di metalli e composti organici • Analisi conformazionale di proteine autoaggreganti per applicazioni clinico-diagnostiche • Studi fondamentali sulla reattività di sistemi chimici utilizzati per scopi analitici.

Stato dell’arte La calorimetria multimodo, la dielettrometria a largabanda, l’EPR ad alti campi e alta frequenza, la microscopia videoconfocale e le nuove tecnologie a microonde per l’attivazione in situ di processi chimici o chimico-fisici sono state sviluppate negli anni recenti nella Commessa e certamente rappresentano una significativa presenza in settori di frontiera scientifica. La Commessa ha collaborazioni e consulenze con PMI ed ha ceduto in licenza tre brevetti. Attualmente la reperibilità sul mercato di strumenti e metodologie idonee per rispondere alle esigenze di speciazione chimica di composti a livello di tracce ed ultratracce appare assai modesta e rimane per adesso un settore di competenza della ricerca portata avanti in laboratori specializzati. Tali strumenti e metodi sono, tuttavia, necessari per rispondere alla domanda analitica in vari settori quali il controllo ambientale, il management di patologie di interesse sociale (malattie cardiovascolari e malattie neurodegenerative), il controllo di qualità dei prodotti industriali e delle acque reflue da processi industriali, il controllo di qualità degli alimenti.


Azioni

Attività da svolgere • Sviluppo e messa a punto di nuovi metodi d’indagine e formazione di ricercatori e tecnici nell’ambito di: EPR ad

alti campi, spettroscopia dielettrica ad alta frequenza, calorimetria multimodo, tecniche ottiche e di microscopia, tecniche a microonde per la chirurgia miniinvasiva, tecniche di chimica analitica.

• Completamento del trasferimento tecnologico inerente alla cessione di licenza d’uso di brevetti • Sviluppo di risuonatori a doppia frequenza operanti fino a 250 GHz. • Costruzione di risuonatori aperti per risonanza paramagnetica elettronica, progettati per la Costruzione

calorimetro MASC2-LT • Caratterizzazione di campioni ad elevate perdite dielettriche. • Collaborazione alle attività nell’ambito di un contratto per fornitura di un prototipo di gradiometro gravimetrico

fra l’Università di Pisa e la società ENI. • Completamento del progetto MIUR-FIRB “Microsistemi sensoriali per applicazioni estreme ed ostili “. • Realizzazione di risuonatori dielettrici a microonde ‘Tantalum-freè ad alto fattore di merito Caratterizzazione

dielettrica a bassa frequenza di polimeri semicristallini per lo studio delle nanaofasi. • Applicazione della calorimetria a modulazione di temperatura allo lo studio di:

• riorganizzazione delle nanofasi (cristallizzazione/fusione) in polimeri semicristallini • proprietà termodinamiche di polimeri e biomateria • Transizione vetrosa di liquidi semplici a legame idrogeno e loro miscele con confronto della dinamica

rivelata mediante spettroscopia dielettrica. • Folding unflding di Proteine Pegilate con calorimetri modulata differenziale

• Determinazione della struttura locale di miscele liquide mediante misure termodinamiche. • Caratterizzazione di proteine, composti tiolici e nitrosotioli in fluidi biologici e nell’espirato nelle malattie

cardiovascolari e polmonari mediante cromatografia liquida accoppiata a spettrometria di fluorescenza atomica. Studio in vitro e studio clinico dei donatori di ossido nitrico (NO).

• Determinazione e caratterizzazione delle isoforme dell’enzima gamma-GT nel plasma umano e nella saliva e loro ruolo fisiopatologico.

• Determinazione di elementi tossici nella produzione di energia (ENEL). • Determinazione e speciazione di elementi negli alimenti (vino, olio, latte, packaging) • Analisi ambientale e di tossicità di metalli e composti organici mediante tecniche cromatografiche,

spettroscopiche e microcalorimetriche (Progetto Cina-Italia). • Analisi conformazionale di proteine autoaggreganti mediante spettroscopia FTIR e applicazioni clinico-

diagnostiche: (i) studio del processo di aggregazione nei peptidi b-amiloidi; (ii) studio del processo di aggregazione delle mucine in risposta ad agenti ossidanti.

• Sviluppo ed applicazione di un rivelatore dinamico di tensione superficiale (DSTD) e di viscosità per lo studio di proteine e polimeri. Applicazione del rivelatore di viscosità a mucine.

• Studio di proteine PEG-ilate: correlazione delle proprietà di tensione superficiale dei complessi non covalenti PEG/proteina con le proprietà di stabilità termica degli stessi complessi osservate per via calorimetrica (con e senza modulazione di temperatura per studiarne anche la stabilità a lungo termine e i meccanismi di reversibilità) e per via dielettrica a microonde. Misure di calore e cinetica di mescolamento di soluzioni acqua/PEG con acqua/proteina al fine di valutare l’interazione specifica fra PEG e proteina.

• Studio degli effetti della pegilazione su una proteina modello la siero albumina bovina (BSA), in termini di a) tensione superficiale dinamica, b) stabilità termica e fenomeni reversibili mediante metodi calorimetrici e dielettrici. Messa a punto del metodo di pegilazione e di separazione del prodotto pegilato.

• Studi fondamentali sulla reattività di sistemi chimici utilizzati per scopi analitici, e finalizzati alla ottimizzazione delle metodiche analitiche.

• Studio di metodologie innovative per la comunicazioni ai cittadini dei dati dell’esposizione al rumore come previsto dal D.Lgs. 19 agosto 2005 n. 194, lo studio di sistemi innovativi per la riduzione del rumore da contatto ruota-superficie stradale e la valutazione dell’impatto acustico di parchi eolici.

Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per Imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali.


Punti critici e azioni da svolgere • Validazione del metodo di dosaggio dei nitrosotioli in plasma umano. • Sviluppo di un sistema di “trapping” dell’ossido nitrico presente nell’espirato per garantire la stabilità del

campione e l’analisi in micropiastre. • Messa a punto di test microcalorimetrici su microorganismi per la valutazione della tossicità di sostanze chimiche

e correlazione dei risultati con test classici di tossicologia. • Studio FTIR delle variazioni conformazionali indotte sul peptide beta-amiloide da molecole antiaggreganti per lo

sviluppo di farmaci anti-amiloidogenici. Studio FTIR dell’interazione peptide beta-amiloide-aprotinina come mezzo diagnostico di amiloidosi.

• Sviluppo di software per un modello realistico di un sistema oscillante con componenti ad impedenza negativa. Lo spettro di impedenza può essere rappresentato da diversi circuiti equivalenti. Tuttavia, solo coloro che hanno una giustificazione meccanicistica saranno considerati.

• Reperimento di attrezzature per microlavorazioni meccaniche ed ottiche, microsaldature; creazione di sensori a film; meccanica di precisione; sviluppo di strumentazione elettronica su misura. L’ammodernamento ed arricchimento del parco macchine e delle strumentazioni dei laboratori scientifici e dell’officina meccanica costituiscono un altro punto chiave per il successo delle attività da svolgere.

• La promozione di un ufficio del CNR competente per i rapporti con l’industria e con il mercato dei brevetti riveste un ruolo prioritario non solo per l’espletamento delle pratiche relative a nuovi depositi, ma anche al fine di massimizzare a vantaggio dell’ente i ritorni dovuti alla vendita dei diritti o alla concessione di licenze.

• Finanziamenti adeguati per i costi di gestione (liquidi criogenici) per sistemi superconduttori; mancanza di supporto di personale ricercatore e tecnico per l’infrastruttura Alti Campi Alte Frequenze.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Propagazione e risonanza di onde elettromagnetiche in sistemi metallici e dielettrici in regime di perdite sia basse,

sia elevate. Interazione risonante della radiazione elettromagnetica con sistemi paramagnetici e ferromagnetici. • Progettazione, realizzazione e applicazione di calorimetri multimodo dedicati per la didattica o per la ricerca,

anche a basso costo. • Applicazione di tecniche dielettriche largabanda nel dominio del tempo e della frequenza. • Chimica-fisica di sistemi polimerici e glass formers • Nuove tecnologie a microonde per il trattamento termico di materiali con sviluppo di applicatori dedicati e nuovi

metodi di eccitazione a microonde di sorgenti spettrali UV e Visibili. • Microscopia videoconfocale. • Spettrometria di fluorescenza ed assorbimento atomico, elementi in tracce e speciazione, generazione chimica di

vapori freddi, cromatografia gas e liquida, spettroscopia infrarossa, tecniche ifenate, biosensori, chimica delle proteine, chimica clinica, tioli e nitrosotioli, chimica teorica e computazionale, chemiometria, estrazione dell’informazione, analisi multivariata, simulazioni Montecarlo, analisi e diagnostica di dati.

Strumentazione • Analizzatore di reti vettoriale operante da 8 - 1000 GHz. Spettrometro EPR basato su magnete superconduttore da

12 T, diodi GUNN e sistema di propagazione quasi ottico. Rivelatore bolometro ad ‘elettroni caldi’. Criostato a flusso d’elio per misure da 4.2 a 300 K.

• Attrezzatura a microonde, in buona parte da progetto originale, per lo studio, la costruzione e la caratterizzazione di reattori a microonde per applicazioni scientifiche, civili ed industriali, basati sull’impiego di applicatori coassiali isolati a immersione.

• Calorimetri MASC multimodo realizzati su brevetti CNR. • Spettroscopia dielettrica nel dominio da 1mHz a 10MHz utilizzabile anche con misure calorimetriche simultanee. • Microscopio videoconfocale 3D ad alta risoluzione, basato su stativo Nikon 80i, dotato di ottica apocromatica e

componenti per la selezione spettrale che permettono di operare fino a 6 canali in riflessione e/o fluorescenza. • Sistemi ottici e digitali per la sperimentazione nel campo della microscopia ottica videoconfocale. • Ampia gamma di strumentazioni per analisi chimica (Gas massa, Gas cromatografia, Cromatografia in fase

liquida, Fluorescenza atomica, Spettrometria di assorbimento atomico,..)


Tecniche di indagine • Tecniche di EPR in onda continua a multifrequenza ed alto campo. • Dielettrometria mediante l’impiego di risuonatori dielettrici per campioni a basse perdite. Sensori a microonda a

campo prossimo per analisi disistemi ad alte perdite dielettriche. • Tecnologie a microonde per l’attivazione termica di processi chimici o chimico-fisici. • Tecniche dielettriche largabanda. • Tecniche calorimetriche multimodo. • Applicazione del principio del filo caldo in regime transitorio per la misura della conducibilità termica. • Microscopia ottica ad alta risoluzione. • Spettrometria di assorbimento atomico. • Gas cromatografia accoppiata a rivelatore di massa trappola ionica con la possibilità di esperimenti MSn. • Sistema di fluorescenza atomica accoppiato alla generazione di idruri volatili. • Cromatografia liquida con rivelatore UV-visible e a diodi e rivelatore elemento-specifico di fluorescenza atomica

accoppiato a sistema di generazione di vapori chimici per analisi ambientale e clinica. • Cromatografia liquida accoppiato a rivelatore dinamico di tensione superficiale per la caratterizzazione e

determinazione di molecole superficie attive. • Spettrofotometro FTIR. • Digestore a microonde.

Tecnologie • Modellizzazione numerica di sistemi elettromagnetici mediante software agli elementi finiti. Progettazione CAD,

lavorazione meccanica fine, lavorazione del vetro. • Analisi e diagnostica di dati in elettrochimica e tecniche separative; algoritmi per la separazione del segnale dal

rumore e dal contributo di background; simulazioni statistiche di processi elettrochimici (di diffusione e faradici) su superfici irregolari o frattali; acquisizione dei dati in tempo reale e unità di controllo dedicata ad esperimenti elettrochimici.

• Spettrometria atomica analitica (AFS e AAS) per la determinazione e la speciazione di elementi in tracce ed ultratracce.

• Sviluppo ed ottimizzazione di strumentazione di spettrometria atomica. • Principi fondamentali ed applicazioni della generazione chimica di composti volatili di elementi Tecniche ifenate

(gas cromatografia e cromatografia liquida accoppiata con rivelatori elemento-specifici). • Rivelatore dinamico di tensione superficiale (DSTD) e viscosita per flow injection e cromatografia liquida per

l’analisi di tensioattivi, polimeri e proteine.

Collaborazioni (partner e committenti) Modellizzazione numerica di sistemi elettromagnetici mediante software agli elementi finiti. Progettazione CAD, lavorazione meccanica fine, lavorazione del vetro.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate • Presentazione di risultati e brevetti alle industrie ed a convegni specialistici • Sottoscrizione di contratti di cessione di diritti di sfruttamento di Brevetti CNR. • Partecipazione ad un progetto coordinato da Valli Zabban s.p.a. per la realizzazione di una membrana

impermeabile bitume-polimero resistente alla grandine, progetto presentato al Ministero dello Sviluppo Economico nell’ambito del bando Nuove Tecnologie per il Made in Italy.

• Collaborazione/Convenzioni con soggetti attivi nel campo dell’industria chimica. • Accordo di collaborazione con Biomedica Mangoni per la realizzazione di sistemi per la microscopia

videoconfocale costruiti sotto licenza CNR. • Accordo di collaborazione con Nikon Instruments per attività di formazione relative alla distribuzione di sistemi

per la microscopia videoconfocale. Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per Imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali.


Finalità

Obiettivi • Tecniche avanzate di EPR in multifrequenza. • Sviluppo strumentale e metodologico per la caratterizzazione di materiali; • Sviluppo strumentale e metodologico per il controllo ambientale; • Strumenti diagnostici nelle patologie cardiovascolari e neurodegenerative; • Controllo di qualità degli alimenti, microscopia ottica confocale; • Innovazione tecnologica e competenze di microwave heating; • Messa a punto di kit diagnostici per l’analisi dei nitrosotioli. • Messa a punto di metodologie diagnostiche basate su matrici biologiche con campionamento non invasivo

(saliva) • Protocolli di analisi per la determinazione e speciazione di elementi e sostanze in tracce in matrici complesse di

varia natura (ambientale, clinica, settore alimentare, beni culturali) • Ottimizzazione di dispositivi strumentali, rivolta al miglioramento delle figure di merito analitiche nelle analisi a

livello di tracce ed ultra-tracce. • Cessione e sfruttamento di Brevetti. • Creazione di spin-off. • Attività didattica in collaborazione con Università e Scuole Superiori e formazione di giovani ricercatori e tecnici.

Risultati attesi nell’anno • Formazione di ricercatori, tecnologi e tecnici e creazione di posizioni di lavoro per attività di ricerca e sviluppo. • Struttura nanofasica e interfasica di sistemi polimerici e loro dinamica determinata mediante calorimetria e

spettroscopia dielettrica. • Proprietà termodinamiche di polimeri. • Stabilità di materiali farmaceutici in fase vetrosa mediante calorimetria. • Analisi sperimentale delle proprietà dei processi di dynamic nuclear polarization ad alta frequenza (95 GHz/144

MHz). • Misure di EPR a multifrequenza basate su risuonatori aperti non-radiativi. • Caratterizzazione di materiali ceramici a basse perdite dielettriche nell’intervallo delle onde millimetriche. • Studi dielettrici della dinamica di rilassamento di liquidi sotto-raffreddati e confronto con la dinamica rilevata

mediante calorimetria a modulazione di temperatura. • Progettazione e realizzazione di un calorimetro a basso costo per didattica. • Misura della conducibilità termica di solidi tra 0 e 80 °C. • Piena operatività di uno spettrometro EPR ad alto campo funzionante con circuito quasi ottico in modalità di

rivelazione omodina ed eterodina e con risuonatori a struttura aperta. • Ottimizzazione dei metodi per la modulazione spaziale del fascio di eccitazione nei sistemi per la microscopia

videoconfocale. • Definizione dei valori di riferimento per i nitrosotioli nel plasma umano e nell’espirato di soggetti normali. • Correlazione delle isoforme dell’enzima gamma-GT nel plasma umano e nella saliva con patologie specifiche. • Determinazione di elementi tossici nella produzione di energia (ENEL). • Determinazione e speciazione di elementi negli alimenti (vino, olio, latte, packaging) • Messa a punto di test microcalorimetrici su microorganismi per la valutazione della tossicità di sostanze chimiche

e correlazione dei risultati con test classici di tossicologia • Analisi conformazionale di proteine autoaggreganti mediante spettroscopia FTIR e applicazioni clinico-

diagnostiche: • studio del processo di aggregazione nei peptidi b-amiloidi; • studio del processo di aggregazione delle mucine in risposta a stress ossidativo.

• Sviluppo ed applicazione di un rivelatore dinamico di viscosità per lo studio di proteine e polimeri. • Correlazione delle proprietà di tensione superficiale dei complessi non covalenti PEG/proteina con le proprietà di

stabilità termica degli stessi complessi osservate per via calorimetrica (con e senza modulazione di temperatura per studiarne anche la stabilità a lungo termine e i meccanismi di reversibilità) e per via dielettrica a microonde.

• Studio degli effetti della pegilazione su una proteina modello la siero albumina bovina (BSA), in termini di a) tensione superficiale dinamica, b) stabilità termica e fenomeni reversibili mediante metodi calorimetrici e dielettrici. Messa a punto del metodo di pegilazione e di separazione del prodotto pegilato.

• Indagine di un nuovo sistema oscillante per la reazione con trasferimento di elettroni di composti nitro aromatici. Modelli sulla accelerazione e sul ritardo periodici della riduzione.

Potenziale impiego - per processi produttivi • Protocolli di autenticazione di oli commestibili.


• Ottimizzazione del processo di produzione di materiali ceramici a basse perdite dielettriche e basso coefficiente termico.

• Sensoristica a microonde per tessuti biologici e materiali ad alte perdite. • Determinazione e speciazione di sostanze ed elementi in tracce nelle emissioni di centrali geotermiche e

termoelettriche (ENEL). • Determinazione di composti tiolici e nitrosotioli nei fluidi biologici (sangue, espirato, saliva) per diagnosi e

follow-up nelle malattie cardiovascolari e polmonari • Studio conformazionale della proteina beta-amiloide e di proteine con proprietà autoaggreganti per la

comprensione della genesi e terapia di malattie quali l’amiloidosi e il morbo di Alzhaimer • Sviluppo di un rivelatore di viscosità miniaturizzato per l’analisi di materiale biologico • Valutazione del rischio di contaminazione ambientale di pestici attraverso lo studio elettrochimico sulla

formazione di strati superficiali monomolecolari auto-organizzati di pesticidi (Atrazina e Terbutylazine). - per risposte a bisogni individuali e collettivi Impiego di metodi dielettrometrici con risuonatori a singolo modo per diagnostica medica e per l’analisi di siti inquinati. La metodologia CHARMANT (chemical activation resorting to a microwave antenna) sviluppata all’IPCF è in grado di sostituire in tutto o in parte l’attuale tecnologia che si avvale di forni, consentendo vantaggi in ordine ai costi, alla versatilità di impiego, all’efficienza ed alla capacità di rompere lo scale up barrier nei processsi industriali. Moduli

Modulo: Mezzi d’indagine, tecnologie e nuove competenze Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Chimica Analitica Strumentale Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Struttura e dinamica in sistemi autoorganizzati e cooperativi Dati generali

Progetto: Biofisica e Soft Matter Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: CALOGERO PINZINO Temi

Tematiche di ricerca • Studio di miscele di idrocarburi; EPR e NMR di membrane, vescicole e liposomi con sostanze a basso e alto

peso molecolare; ordine orientazionale in cristalli liquidi termotropici con 13C NMR; EPR in multifrequenza del petrolio in sistemi nanoporosi;

• Processi di trasporto in modelli di cristalli liquidi; • Termodinamica della transizione vetrosa in polimeri e miscele polimeriche; • Proprietà dielettriche fino a circa 1 THz; analisi con entropia della diffusione per l’origine della cooperazione

Stato dell’arte La ricerca nell’area dei materiali usualmente indicati con il nome di Soft Matter è una delle aree di ricerca del 21° secolo fra le più attive e in più rapida crescita. I materiali autoaggregati e cooperativi hanno molte applicazioni nella vita di tutti i giorni e la ricerca fondamentale su tali materiali è strettamente collegata alla ricerca applicata e industriale. La caratterizzazione strutturale e dinamica di tali materiali aumenta le nostre conoscenze e ne facilita l’utilizzo in vari campi Azioni

Attività da svolgere Saranno proseguiti gli studi di struttura e ordine orientazionale di cristalli liquidi termotropici mediante spettroscopia 13C, 2H e 19F NMR coadiuvata da calcoli DFT per i parametri geometrici molecolari ed i tensori di chemical shift. Si intende esplorare, anche, le conseguenze del nuovo teorema di fluttuazione e dissipazione, per fare ulteriore luce sulla dinamica dei cristalli liquidi, e, possibilmente, su quella dei vetri di spin. Inoltre saranno studiate le proprietà dinamiche di unità interagenti collocate sui siti di reti complessi per stabilire le proprietà topologiche delle reti più convenienti per il raggiungimento di un comportamento globale coordinato. Sarà proseguito lo studio mediante 1H e 2H NMR su oligopeptidi al fine di studiarne l’equilibrio conformazionale in H2O e in fase liotropica costituita da CsPFO/H2O, che costituisce un sistema modello di doppi strati lipidici. Tecniche NMR idonee alla caratterizzazione della SOM verranno applicate a suoli provenienti da diverse zone geografiche per valutare effetti ambientali e climatici sull’immagazzinamento del carbonio nel suolo e quindi sul ciclo del carbonio. Le stesse tecniche saranno utilizzate per valutare l’impatto di metodiche di confinamento di incendi boschivi sulla fertilità dei suoli. Proseguirà lo studio delle proprietà strutturali e dinamiche di idrogeli di interesse biomedico mediante tecniche 1H e 13C NMR a bassa ed alta risoluzione e tecniche di rilassamento del protone. Saranno intrapresi studi sulla distribuzione e sul trasporto di farmaci in idrogeli mediante tecniche EPR di spin-labelling e spin-probing a basso ed alto campo. Si utilizzeranno tecniche EPR in multifrequenza fra 10 e 285 GHz per l’indagine di materiali magnetici e campioni di sistemi di interesse ambientale. Si avvieranno a Completamento le misure EPR in alta frequenza su campioni modello per l’indagine degli effetti della silice in ambienti di lavoro (progetto della Regione Toscana). L’uso di coltivazioni idroponiche per le colture orticole e per le piante medicinali presenta numerosi vantaggi e si rende necessario conoscere le eventuali variazioni delle proprietà nutraceutiche. Indagini EPR si eseguiranno per la determinazione del potere antiossidativo di estratti acquosi e lipidici di foglie di E. angustifolia e basilico coltivate a terra ed in idroponica impiegando due radicali liberi stabili di cui uno idrofilo, il sale di Fremy, ed uno lipofilo, DPPH. Si prevede di proseguire lo studio degli effetti collisionali per molecole e ioni. I risultati teorici verranno confrontati con misure di forme di riga. Si prevede di completare lo studio per quanto riguarda lo ione HCO+ e di affrontare quello dello ione N2H+ che è reso più complesso dalla presenza di una struttura iperfina e si prevede anche di completare lo studio della forma di riga collisionale per le righe rotazionali dell’acqua.


Punti critici e azioni da svolgere Molti degli studi da intraprendere dipendono dalla reperibilità di materiale, sia esso “naturale” o di sintesi, derivante da collaborazioni con gruppi di esperti in ambito biologico, medico, agrario, geologico e chimico. Inoltre alcuni studi sono oggetto di proposte PRIN2008 e la loro realizzazione dipende quindi dall’eventuale finanziamento.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I partecipanti alla commessa hanno le competenze per implementare ed applicare tecniche NMR ed EPR anche innovative idonee allo studio dei diversi sistemi presi in esame. Sono presenti nella commessa anche le competenze necessarie per l’implementazione di software specifico. Saranno invece utilizzate collaborazioni con personale universitario per l’interpretazione dei risultati sperimentali nell’ambito delle problematiche geologiche, pedologiche, biologiche e per la sintesi di sistemi di interesse. Competenze riassumibili in: • Chimica-fisica dei metalli di transizione e delle terre rare. • Materiali magnetici non diluiti e fenomeni critici. • Chimica-fisica di sistemi polimerici e glass formers • Proprietà e propagazione delle onde millimetriche e sub- millimetriche e loro interazione con i materiali. Metodi

quasi ottici. • Dielettrometria a larga banda. • Disegno e realizzazione di parti meccaniche di strumentazione • Risonanza magnetica elettronica e nucleare • Alti campi magnetici. • Metodi criogenici e di controllo della temperatura. • Calcoli di hamiltoniano di spin e simulazione di spettri EPR. • Calcoli quantomeccanici.

Strumentazione 1) Spettrometro EPR ad alto campo dotato di magnete a superconduttore 12 Tesla, sistema quasi ottico, diverse teste di misura, sorgente a stato solido 95, 190, 285 GHz, Rivelatori bolometrici. 2) Spettrometro EPR Varian E-112, equipaggiato con misuratore di frequenza, stabilizzatore di frequenza e campo, sistema di controllo computerizzato costruito in casa e implementazioni per risonanze multiple. Usato per tecniche avanzate di CW EPR, ENDOR, LOMENDOR, Pulsed LODESER e ENDOR nelle frequenze della banda X in un range di temperature da 4K a 450K . 3) Spettrometro EPR ADANI PS100.X, usato per dosimetria, routine e didattica in un range di temperature da 77K a 300K. 4) Spettrometro NMR Bruker AMX300 WB, equipaggiato con con tre probe ad alta risoluzione (un selettivo 1H, un riverse multinucleare e un multinucleare da 10mm) e un probe multinucleare per esperimenti CPMAS e MAS disaccopiato ad alta potenza con rotore da 4mm. Usato per spettri ad alta risoluzione di fasi liquido cristalline e isotrope e per registrare spettri MAS e CPMAS in solidi. 5) Spettrometro di fluorescenza ISS-GREG 200. 6) Analizzatore Vettoriale di Reti alle onde Millimetriche (8 ‘ 1000 GHz).

Tecniche di indagine Le tecniche sperimentali di indagine consistono principalmente in diversi tipi di esperimenti EPR e NMR selettivi e non 1H, 2H e 13C sia in soluzione che a stato solido, in tecniche di misura in alto campo ed alta frequenza, in tecniche di multifrequenza e in tecniche quasi ottiche per la propagazione e rivelazione delle onde millimetriche e sub- millimetriche. Ai risultati sperimentali saranno combinati metodi di analisi dati implementati negli anni passati dal personale della commessa e calcoli teorici mediante Gaussian e Spartan.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Dip. di Chimica e Chimica Industriale, Università di Pisa Dip. di Fisica, Università di Pisa Dip. di Scienze Botaniche, Università di Pisa Dip. di scienze dei materiali, Università di Pisa Center for Nonlinear Science, Denton, Texas Istituto Nazionale per la Fisica dei Materiali di Bucarest Institute of Physics, Jagellonian University, Krakow, Polonia Research Institute for Solid State Physics and Optics, Budapest Molecular Physics Department of Kazan State University, Russia

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati si intendono promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali, come la presentazione di alcune proposte di progetto PRIN 2008.


Finalità

Obiettivi Collaborare alla caratterizzazione di sistemi autoorganizzati innovativi per applicazioni industriali come polimeri, biosensori di inquinamento ambientale, materiali con peculiarità elettro-ottiche, materiali per il trasporto e il rilascio controllato di farmaci, utilizzando le competenze teoriche e sperimentali in termodinamica, in spettroscopia di risonanza magnetica, nello studio di interazioni con onde elettromagnetiche e in spettroscopia molecolare del personale afferente alla commessa

Risultati attesi nell’anno Dallo studio di cristalli liquidi termotropici mediante tecniche spettroscopia NMR ci aspettiamo di ottenere informazioni sulla struttura e l’ordine orientazionale nelle diverse fasi liquido-cristalline. I risultati saranno discussi per confronto con quelli ottenuti tramite altre tecniche (dielettrometria e misure ottiche). Dallo studio di idrogeli mediante tecniche NMR si prevede di determinare i siti specifici di interazione acqua-polimero, e di indagare l’effetto dell’idratazione sulla dinamica del polimero e quello del grado di reticolazione sullo stato dell’acqua all’interno di idrogeli di interesse biomedico. D’altra parte l’applicazione di tecniche EPR di spin labelling e spin probing consentirà di ottenere informazioni sulla distribuzione di farmaci nei domini idrofilici e idrofobici degli idrogeli e sul meccanismo del loro rilascio. Lo studio della conformazione di oligopeptidi in sistemi micellari costituisce uno studio di base necessario per la comprensione della interazione fra proteine e membrane cellulari, di fondamentale importanza in sistemi biologici. In questo ambito si spera di ottenere informazioni sulla correlazione fra struttura peptidica e membrana cellulare. I dati di speciazione della materia organica nei diversi suoli studiati verranno messi in relazione alle caratteristiche ambientali e climatiche delle zone di provenienza nell’ambito di uno studio più generale sugli effetti antropici sul ciclo del carbonio, ovvero agli interventi umani sul territorio atti a limitare la diffusione degli incendi. Radicali organici e metalli pesanti presenti in campioni di terreno attraversati da incendi. Risultati conclusivi si otterranno su valenza e geometria di coordinazione del Fe in tracce in silice e nei composti modello (Ametista) Dal confronto degli spettri EPR dei radicali DPPH e del sale di Fremy impiegati in estratti acquosi e lipidici di foglie di E. angustifolia e basilico coltivate a terra ed in idroponica e le cinetiche di decadimento dei radicali si potranno paragonare i loro poteri antiradicalici. I risultati teorici dello studio degli effetti collisionali per molecole e ioni verranno confrontati con misure di forme di riga allo scopo di validare tutti gli elementi (modello teorico, potenziale di interazione, basis set, ecc..) coinvolti nel calcolo della matrice di scattering usata anche per derivare le transition rates che rivestono interesse astrofisico, ma sono anche difficilmente misurabili. Il completamento dello studio della forma di riga collisionale per le righe rotazionali dell’acqua permetterà di migliorare i database (HITRAN e simili) usati per la modellizzazione dell’atmosfera.

Potenziale impiego - per processi produttivi I materiali, oggetto di studio,trovano larga applicazione nei settori industriali biomedico, ambientale,energetico, alimentare e cosmetico. Una vasta gamma di utili proprietà meccaniche, dinamiche, ottiche e catalitiche possono essere ottenute accordando la composizione dei materiali con le interazioni dei componenti. Tali materiali offrono anche ampie promesse come componenti di dispositivi integrati specializzati. Interessante è l’impiego di ceramiche ternarie, aventi alta costante dielettrica, per la realizzazione di vari dispositivi con ridotte dimensioni geometriche come risuonatori dielettrici, filtri, antenne planari, circuiti integrati utilizzabili nel range millimetrico delle microonde. L’applicazione delle competenze accumulate nello studio della dinamica dei sistemi polimerici potrebbe dare anche indicazioni fondamentali nello studio della mobilità degli idrocarburi fossili nelle sabbie e negli scisti bituminosi e fornire anche informazioni sui metodi di liquefazione del carbone e di sequestro dell’anidride carbonica. Lo studio dei cambiamenti strutturali di membrane tilacoidali possono dar luogo alla progettazione di sensori biologici - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le ricerche, inquadrandosi nei programmi per la realizzazione di nuovi materiali o per il miglioramento delle loro qualità, e per la tutela ambientale, in primo luogo aumentano le conoscenze in questo campo della scienza, e se trovano applicazione possono anche rispondere a bisogni individuali e collettivi. Possono contribuire alla realizzazione di nuovi dispositivi più efficienti e miniaturizzati, possono contribuire alla riduzione della dipendenza energetica dal petrolio convenzionale come alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica e possono contribuire con metodologie e sensori innovativi al controllo e allo studio dell’inquinamento ambientale. Moduli

Modulo: Struttura e dinamica in sistemi autoorganizzati e cooperativi Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Film di materiali polimerici: effetti di confinamento superficiale ed applicazioni Dati generali

Progetto: Biofisica e Soft Matter Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Sede principale svolgimento: CRS NEST - LR POLYLAB Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: PIERANGELO ROLLA Temi

Tematiche di ricerca Ricerca industriale: Materiali per il packaging. Trasformazione materie plastiche. Modifica e trattamento di fibre e tessuti. Trattamenti di pellami. Trattamento scarti industriali. Membrane ioniche e catalitiche per celle a combustibile. Ricerca libera: Blends e compositi a base polimerica. Nanocompositi. Polimeri elettroottici e conduttori. Riuso e riciclo di materiali polimerici. Analisi e caratterizzazioni meccaniche, termiche, ottiche ed elettriche. Aging. Effetti del confinamento in film ultrasottili. Nanopatterning e nanofabbricazione con atomi raffreddati.Microscopia AFM-EFM.

Stato dell’arte Applicando le strategie di blending di omopolimeri, o impiegando polimeri a blocchi capaci di autoassemblarsi in una varietà di mesofasi, si possono costruire polimeri con proprietà fisiche e chimiche su misura. Ulteriori caratteristiche possono essere ottenute sfruttando le interazioni o i legami che si realizzano all’interfaccia tra polimeri funzionalizzati e particelle inorganiche micro e nanostrutturate. Questi materiali possono essere utilizzati in varie applicazioni, in particolare in forma di film sono largamente impiegati nel packaging. Le interazioni d’interfaccia, che sono alla base delle proprietà di compositi e nanocompositi, possono essere studiate nei film ultrasottili dove gli effetti di confinamento modificano la dinamica delle macromolecole, l’autoassemblaggio di polimeri a blocchi su substrati, le fenomenologie di wetting/dewetting, l’adesione polimero/polimero, i fenomeni di trasporto, e producono in particolari condizioni la formazione di pattern superficiali utili come scaffold per la crescita di biomateriali. Azioni

Attività da svolgere L’obbiettivo principale è sempre quello di sviluppare la conoscenza degli effetti delle interazioni d’interfaccia sulle proprietà di compositi a base di poliolefine, poliesteri, poliacrilati, in particolare con l’analisi di campioni di film sottili e ultrasottili ottenuti con varie tecniche (casting, LB e spin e spray coting) I parametri da studiare sono pesi molecolari, energia interfacciale, cristallinità, temperatura e velocità di raffreddamento e presenza di limitate concentrazioni di molecole a basso peso molecolare, in quanto influenzano le proprietà morfologiche, tribologiche e dinamiche che permettono la realizzazione di film con strutture a risoluzione nanometrica e di elevata stabilità temporale (strettamente collegate con le lunghezze di cooperazione), o film e compositi con le previste proprietà funzionali e strutturali macroscopiche. Ulteriori sviluppi sono previsti per lo studio della bagnabilità delle rocce petrolifere e per ricerche riguardanti l’impiego di polimeri da fonti rinnovabili.

Punti critici e azioni da svolgere Per la soluzione dei punti critici citati nello stato di avanzamento si richiede che si giunga rapidamente a un consolidamento del quadro istituzionale interno, dei meccanismi di valutazione e di finanziamento e principalmente si definiscano regole stabili per un reclutamento ordinato e meritocratico. Il polyLab impiega una significativa parte delle risorse che si procura sul mercato per la salvaguardia del patrimonio di conoscenze costituito dai suoi ricercatori che è frutto di lunghi anni di lavoro e che rischia di disperdersi con il perdurare di situazioni di grande incertezza.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I ricercatori del laboratorio hanno una provenienza distribuita sulle aree della Chimica Macromolecolare, della Struttura della Materia e dell’Ingegneria dei Materiali e quindi coprono le competenze che servono per affrontare i problemi di ricerca in Scienza dei Materiali Polimerici e le relative applicazioni industriali. Il laboratorio dispone di competenze che vanno dalla sintesi/modifica molecolare alla prebarazione dei materiali specifici per miscelazione, reattiva o interattiva, dalla caratterizzazione meccanica, reologica e termodinamica a quella spettroscopica (NMR, EPR, UV-VIS, IR, X-ray, ecc.) e microscopica (AFM, SNOM, EFM). Alcune tecniche d’indagine sono state sviluppate direttamente da ricercatori del laboratorio, in particolare per lo studio dei processi di diffusione ai gas, per l’analisi della risposta di sistemi di spin, per l’analisi delle superfici mediante microscopia a sonda e per lo studio dell’interazione radiazione e.m.-materia.


Strumentazione Analizzatori d’impedenza e di reti tra 10-5 Hz e 40 GHz per spettroscopia dielettrica. Spettrometri EPR di vario tipo e a varie frequenze. Generatori e applicatori a microonde di potenza. Vari microscopi a sonda: STM, AFM, SNOM, EFM. Sistemi di nanodeposizione e nanolitografia laser. GPC a bassa e alta temperatura Gas Cromatografo Autosystem Perkin Elmer NMR 400 Stato solido 400 e NMR 200 / 300 Vari spettrometri FT-IR Spettrometro ad assorbimento UV-visibile Spettrometro per fluorescenza da 300 a 2000 nm DSC, DMA,DMTA, TGA, Rheometer Haake Misuratore Angolo contatto Sistema per l’analisi del comportamento meccanico di microcampioni Analizzatori di permeabilità a ossigeno e acqua Estrusore per quantità limitate di fibre e piattine Spin Coater Miscelatori Brabender

Tecniche di indagine Le metodologie/tecniche d’indagine che più di altre caratterizzano il laboratorio per il connubio efficace tra competenze e strumentazione sono: - metodologie di funzionalizzazione, blending ed esfoliazione per la preparazione dei materiali nanocompositi; - metodi/tecniche di analisi mediante microscopia a sonda; - spettroscopie di risonanza magnetica e loro applicazione allo studio dei processi di rilassamento; - metodologie per lo studio della risposta dielettrica e dei meccanismi di conduzione; - tecniche a microonde e a plasma per il trattamento dei materiali - tecniche di nanodeposizione mediante atomi raffreddati con radiazione laser.

Tecnologie L’attività sperimentale è supportata da attività computazionale in cui vengono investigate le interazioni tra il polimero naturale e l’agente modificante. Oggetto dello studio è la modellazione delle interazioni e la disposizione nello spazio tra due microfibrille di collagene, delle interazioni tra le stesse microfibrille e molecole a basso peso molecolare con capacità di stabilizzare la proteina, delle proprietà spettroscopiche e della capacità chelante nei confronti di metalli pesanti degli addotti.

Collaborazioni (partner e committenti) Committenti principali: ENI-AGIP, CARIOLARO, REGIONE TOSCANA. Collaborazioni nazionali principali: CNR-INFM CRS ‘soft’ di Roma, Università di Perugia, Laboratorio LENS di Firenze, ICCOM-CNR Milano-Genova, Politecnico e Istituto Boella di Torino, Centro Italiano Packaging-Venezia. Collaborazioni internazionali: NRL Washington, Silesian University Poland, Max Planck Mainz, Freiburg University, Waseda University Tokyo, University of Pittsbourgh.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Il polyLAB intrattiene rapporti sistematici con diverse industrie, partecipa ai principali programmi di ricerca nazionali ed europei e si procura all’esterno la quasi totalità delle risorse finanziarie necessarie alla sua attività. In particolare con le risorse dei programmi di ricerca industriale sostiene da anni gran parte della ricerca di base e un numero rilevante di giovani in formazione. Verso la fine del 2008 e con l’inizio del 2009 abbiamo notato una ripresa dell’interesse delle industrie verso le nostre attività di ricerca sebbene con una sensibile riduzione delle risorse e finanziarie messe a disposizione. Ci aspettiamo commesse più consistenti se avranno successo alcuni progetti industriali sostenuti dalla Regione Toscana. Siamo anche in attesa dell’esito della valutazione di progetti importanti presentati su programmi di finanziamento del MUR.

Finalità

Obiettivi Sviluppo delle applicazioni industriali dei materiali polimerici in collaborazione e su committenza delle industrie: film flessibili per il packaging, trasformazione e trattamento di materie plastiche. trattamento e/o modifica di fibre,tessuti e pellami, membrane ioniche e catalitiche per celle a combustibile, riciclo e riuso di scarti industriali. Ricerca libera avanzata in funzione di future applicazioni e a supporto della ricerca industriale.


Risultati attesi nell’anno I risultati prevedibili di carattere generale sono di tre categorie: a) nuovi materiali a base polimerica e da fonti rinnovabili con specifiche proprietà strutturali e funzionali; b) descrizione e interpretazione del comportamento e delle proprietà fisico chimiche di superfici/interfacce e di sistemi polimerici confinati; c) sviluppo di tecnologie di processing (reactive blending, trattamenti a plasma e a microonde) e di analisi per i materiali/film polimerici, in particolare con microscopia a sonda.

Potenziale impiego - per processi produttivi Oltre la attività svolte in modo specifico per lo sviluppo di nuovi prodotti/processi, vengono svolte diverse attività di ricerca ai fini di sviluppare la conoscenza in settori di prevedibile sviluppo applicativo: sistemi fotorefrattivi e fotoconduttivi, bioplastiche, modifica di polimeri naturali con tecniche di funzionalizzazione,ruolo dei complessi/cluster metallici nei sistemi macromolecolari,fenomenologie di rilassamento, aging e confinamento strutturale, fenomeni di trasporto in sistemi complessi e nanostrutturati, studio delle fenomenologie dell’interazione radiazione e.m.-materia. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Lo sviluppo di nuovi materiali e in particolare la complessa fenomenologia connessa con le superfici e interfacce, sia nei film sottili e ultrasottili sia in massa, è l’elemento critico per lo sviluppo delle attuali e future tecnologie. Con questo tema conduttore è possibile sviluppare conoscenza e trovare applicazioni utili per il mercato in moltissimi campi che vanno dai dispositivi, sensori e sistemi micro/nano ai manufatti per impieghi strutturali, con un impatto sui più importanti problemi dello sviluppo sostenibile, quali la salvaguardia della salute, dell’ambiente e delle fonti energetiche. Moduli

Modulo: Film di materiali polimerici: effett di confinamento superficiale ed applicazioni

Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS NEST - LR POLYLAB


Fotonica degli Alti Campi Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: LEONIDA ANTONIO GIZZI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche oggetto dell’attività della Commessa riguardano la fisica dell’interazione di impulsi laser di altissima potenza con la materia. Nello specifico, tra i settori di interesse troviamo la fusione per confinamento inerziale, la spettroscopia ottica ed X ad alta risoluzione temporale (sub ps) e l’accelerazione di particelle cariche in onde di plasma. Altre tematiche includono l’ottica laser e l’ottica X, l’interazione della radiazione ionizzante (X, gamma, elettroni e protoni) con la materia. PROGETTI IN CORSO • Progetto FP7 - Infrastruttura ESFRI HiPER - High Power laser Energy Research Facility; - Resp. L.A. Gizzi; • Progetto FP7 - Infrastruttura ESFRI ELI - Extreme Light Infrastr. Coord. D. Giulietti - Ref.A.Giulietti • Progetto MIUR PRIN - ; Generazione di fasci di elettroni ...; Resp. Unità CNR L.A. Gizzi; • Azione COST-ESF “Short Wavel. Lab. Sources”; Natl. repres. and Vice chair: L.A.Gizzi. • Progetto MIUR-FIRB (BLISS - Broadband laser) “Laser a banda larga per studi sulla ICF”. Coord. A. Giulietti; • Progetto PLASMON-X (INFN e CNR) Coord. - D. Giulietti “Accelerazione ad alto gradiente” • Progetto MIUR-FISR (FiXer - Sorgente X ai fs. Coordinatore L.A.Gizzi;

Stato dell’arte La fotonica degli alti campi è uno settore a rapido tasso di crescita ed elevato fattore d’impatto grazie ai continui progressi nella generazione ed amplificazione di impulsi corti ed ultracorti di luce laser di elevata potenza. Tra gli studi in corso, sia presso grandi infrastrutture che in laboratori di piccola scala, i più promettenti riguardano le armoniche di alto ordine, per il pump and probe agli attosecondi, l’accelerazione di elettroni a plasma, la produzione di impulsi ultracorti di raggi X, la produzione di fasci di protoni e ioni. Azioni

Attività da svolgere SECONDA FASE ESPERIMENTO DI ACCELERAZIONE A PLASMI; COMMISSIONING LABORATORIO FLAME PRESSO LNF; ESPERIMENTI PRESSO CLF-RAL SU FAST IGNITION E WDM SPECTROSCOPY; NELL’AMBITO DEI SEGUENTI PROGETTI ATTIVI: • Progetto FP7 - Infrastruttura ESFRI HiPER - High Power laser Energy Research Facility; - Resp. L.A. Gizzi; • Progetto MIUR PRIN - ; Generazione di fasci di elettroni ...; Resp. Unità CNR L.A. Gizzi; • Azione COST-ESF “Short Wavelength laboratory Sources”; National representative and Vive chair: L.A.Gizzi. • Progetto MIUR-FIRB (BLISS - Broadband laser) “Sviluppo di un laser a banda larga per studi sulla fusione

inerziale”. Coord. A. Giulietti; • Progetto PLASMON-X (INFN e CNR) Coord. - D. Giulietti Accelerazione ad alto gradiente e sorgente X da

scattering Thomson.

Punti critici e azioni da svolgere ACQUISIZIONE DI NUOVO PERSONALE A TEMPO INDETERMINATO.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze principali includono lo sviluppo di laser di alta potenza e larga banda, l’interazione laser-materia con impulsi corti ed ultracorti con particolare riferimento alla fusione termonucleare tramite confinamento inerziale e all’accelerazione di particelle cariche. Altre competenze consolidate includono lo sviluppo di sorgenti X ad impulsi ultracorti e loro applicazioni e la modellizzazione numerica della fisica dell’interazione laser-plasma.

Strumentazione Le attività intramoenia si svolgono nel Laboratorio di Irraggiamento con Laser Intensi dell’IPCF che comprende una gamma di sistemi laser di potenza tra i quali un sistema multi-stadio ad impulsi ultracorti del tipo “Titanio di Zaffiro” in grado di generare impulsi della potenza di 2TW con un rate di ripetizione di 10 Hz alla lunghezza d’onda di 800


nm. Altre strumentazioni includono una gamma di rivelatori CCD per radiazione X di ultima generazione, streak-camere. Il laboratorio è dotato di tre camere da vuoto per l’interazione laser-materia, equipaggiate con sistemi di movimentazione micrometrica del bersaglio a controllo remoto. La commessa ha poi partecipato alla realizzazione di un cluster per il calcolo numerico che viene impiegato per l’esecuzione di codici di simulazione del tipo Particle in cell e/o idrodinamici. Infine, le attività della commessa includono anche l’accesso alle facility laser europee incluse nell’iniziativa integrata europea denominata LASERLAB.

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine includono la spettroscopia ottica, X e gamma per lo studio dei processi di accoppiamento della radiazione laser con il plasma; nel caso di esperimenti di accelerazione laser-plasma vengono inoltre impiegati anche metodi innovativi per lo studio di distribuzione angolare ed energetica di elettroni relativistici; vengono poi impiegati metodi di indagine per l’analisi temporale ultraveloce sia nel range visibile che dei raggi X.

Tecnologie Le tecniche di modell(izz)azione dei sistemi studiati sono prevalentemente di natura numerica e sfruttano l’impiego di cluster linux locali o macchine remote.

Collaborazioni (partner e committenti) Collaborazioni organiche e consolidate con partner nazionali ed internazionali, tra cui il Dip. di Fisica UniPI, l’Az. Ospedaliera Pisana, l’ISM-CNR (Area Tor Vergata), il Dip. Ing. UniRoma1, l’INFN, il lab. SLIC-SPAM-Drecam (CEA, Parigi), la CLF-RAL (Oxford), la Queen’s University of Belfast, l’IOQ-UniJena (Jena, Germania), il Dip.Fisica della Moscow State Univ. (Mosca), il Lawrence Livermore National Lab. (USA) e l’Università diTokyo (Japan). Con questi partner sono stati formalizzati progetti comuni e/o protocolli di intesa tra Istituti. Particolare rilievo assume l’integrazione, come partner associato, nel LASERNET (Rete europea di Infrastrutture Laser). Da sottolineare anche la partecipazione alla rete internazionale COAST (Center of Advanced Science and Technology (COAST) Project) promosso dal JSPS (Japanese Society for the Promotion of Science).

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate SI PREVEDE L’ATTIVAZIONE DI PROGETTO PER SVILUPPO INDUSTRIALE ACCELERATORE LASER PER ELETTRONI; SI PREVEDONO PROPOSTE PROGETTUALI FP7 PER MOBILITÀ RICERCATORI;

Finalità

Obiettivi Obiettivo di questa proposta è quello di integrare le attività e gli obiettivi relativi ai progetti esterni attualmente in corso, unitamente alle risorse umane e strumentali da questi rese disponibili, in un programma coerente, teso al consolidamento di questa tematica, anche nell’ambito dei programmi europei. In particolare, ci si propone di integrare struttura-laboratorio ILIL-IPCF nella rete europea di infrastrutture laser.

Risultati attesi nell’anno Ottimizzazione acceleratore a plasma table-top per applicazioni; Operatività laboratorio flame e primo esperimento test; Realizzazione esperimento large facility su fasci di elettroni contropropaganti PER APPLICAZIONI A FAST-IGNITION;

Potenziale impiego - per processi produttivi L’attività della commessa si basa sullo sviluppo di competenze nel settore dei laser di alta potenza. La produzione di laser di potenza su scala internazionale è in continua crescita ed estremamente attivo dal punto di vista degli assetti industriali ( si vedano le frequenti acquisizioni operate dalle aziende leader del settore. L’Italia, tra i paesi tecnologicamente avanzati, stenta ad esprimere le sue potenzialità in questo settore, anche a causa dell’insufficiente sforzo nella formazione di personale altamente specializzato. Le competenze e la formazione generati dall’attività della commessa sono elementi essenziali nello sviluppo di processi produttivi innovativi in questo settore. Altri settori di riferimento dal punto di vista produttivo sono l’industria elettronica e l’industria delle attrezzature per la diagnostica e la terapia medica. I risultati previsti sono di potenziale impiego nella caratterizzazione dei componenti per l’industria elettronica attraverso test non-distruttivi e lo sviluppo di strumenti di verifica e screening in ambito ospedaliero. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Tra gli obiettivi perseguiti in questo programma di ricerca, le nuove tecniche di accelerazione di particelle cariche basate su laser intensi costituisce una delle possibilità, attualmente allo studio, per la realizzazione di una nuova generazione di strumenti diagnostici e terapeutici in grado di superare i limiti concettuali della trumentazione attualmente in uso in ambito bio-medico. Queste prospettive di impiego stanno favorendo la creazione su scala internazionale di centri di ricerca e sviluppo che integrano il settore bio-medico e quello dei laser di alta potenza. Le ricerche nell’ambito della commessa trovano anche impiego nel settore della fusione termonucleare per confinamento inerziale.


Moduli

Modulo: Fotonica degli alti campi per la generazione di impulsi ultracorti di radiazione X e particelle di alta energia

Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Sviluppo di laser a larga banda per studi strategici sulla fusione per confinamento inerziale



Interazione coerente di radiazione con atomi, molecole e superfici attraverso la progettazione e sviluppo di nuove metodologie e sorgenti dall¿UV al millimetrico Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: CARLO GABBANINI Temi

Tematiche di ricerca • Studio del Coherent Population Trapping (CPT). • Formazione, rivelazione e intrappolamento di molecole ultrafredde. Atomi di Rydberg ultrafreddi. • Spettroscopia di assorbimenti molecolari overtone nel VIS e NIR di molecole (CO2,CH4,C2H4..). • Studio di fotodesorbimento tramite spettroscopia laser e EPR. • Manipolazione ottica di fascio di bario e applicazione a deposizione di • nanostrutture. • Spettroscopia ad alta sensibilità a 5 e 10 µm per analisi di tracce. • Studio delle proprietà ottiche dei semiconduttori. • Sorgenti IR e FIR.

Stato dell’arte La commessa riguarda tematiche di grande interesse nella comunità scientifica. L’effetto CPT è studiato per laser cooling, magnetometria, rallentamento della luce, metrologia. Le molecole ultrafredde sono di grande interesse nel campo dei gas a degenerazione quantistica, per misure di EDM e per quantum computing. La litografia atomica è un’alternativa a quella tradizionale per creazione di nanostrutture. Lo sviluppo di nuove sorgenti contribuisce a colmare regioni spettrali finora non coperte. Azioni

Attività da svolgere Nel corso del 2009 son previste le attività: Formazione di molecole ultrafredde RbCs tramite fotoassociazione e rivelazione tramite ionizzazione a più fotoni. Misure di predissociazione molecolare. Studio del desorbimento di Na e K da vetro poroso in collaborazione con il gruppo del Prof. Moi dell’Università di Siena: questo materiale presenta una struttura con pori dalle dimensioni medie di 17 nm che vengono saturati dall’alcalino che successivamente viene desorbito. La stabilità alla temperatura e alle sollecitazioni meccaniche di questo materiale è di gran lunga superiore a quello dei composti organici come silani o paraffine. L’effetto LIAD verrà studiato anche su miscele di alcalini con tensioni di vapore diverse come K/Rb e K/Cs. Esperimenti su EIT in potassio nella regione dei KHz. Analisi dello spettro d’assorbimento dell’etano attorno a 900 nm, che prevede la misura della posizione delle righe con un errore massimo di 0.01 cm-1, la misura delle sezioni d’urto d’assorbimento e sulle righe più intense quella dell’allargamento e shift collisionali. Studio di risonanze molecolari e di line pressure broadening mediante tecniche optoacustiche. Ricerca e studio delle soluzioni della teoria non simmetrica di Einstein-Schrodinger. Studio del ruolo della teoria dei gruppi nell’interpretazione fisica della relatività generale. Attività divulgativa con la mostra Ludoteca Scientifica.

Punti critici e azioni da svolgere Disponibilità di adeguata sorgente laser per fotoassociazione di RbCs. Reperibilità delle sorgenti laser singolo modo che coprano tutto il range della banda d’assorbimento dell’etano; adeguata sensibilità dello spettroscopio a diodi laser per la misura delle deboli righe overtone, tramite riduzione del rumore del sistema a diodi laser. Carenza dei servizi tecnici che implica adattamento con il residuo supporto tecnico.


Strumentazione



Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) I ricercatori operanti nella commessa hanno in atto un rilevante numero di collaborazioni di cui le principali sono: INFM-Sezione di Pisa, Dipartimento di Fisica-Università di Pisa, Dip.di Fisica-Università di Siena, ENEA Frascati, Lab. Aimé Cotton-Orsay, Institute of Electronics-Sofia.

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività con Imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali.

Finalità

Obiettivi Sviluppo strumentale e metodologico su sorgenti e interazione radiazione-materia. Possibili applicazioni per spettrometri a grande risoluzione, magnetometri ad elevata sensibilità, realizzazione di nanostrutture, analisi di tracce.

Risultati attesi nell’anno I risultati attesi nell’anno sono: -Formazione di molecole ultrafredde RbCs tramite fotoassociazione in doppia trappola atomica di cesio e rubidio. -LIAD in miscele e da materiali vetrosi. -CPT e EIT in K con elevato contrasto per applicazioni alla magnetometria. -Spettro C2H6 a 784 nm e misure dei coefficienti di allargamento e shift collisionali. -Pubblicazioni scientifiche

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Avanzamento delle conoscenze, pubblicazioni scientifiche Moduli

Modulo: Interazione coerente di radiazione con atomi, molecole e superfici attraverso la progettazione e sviluppo di nuove metodologie e sorgenti dall’UV al millimetrico



Dinamica di Plasmi e Laser-Plasmi Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto di metodologie inorganiche e dei plasmi Sede principale svolgimento: Sede di Bari Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: SAVINO LONGO Temi

Tematiche di ricerca Modelli chimico-fisici per rientro di navicelle spaziali, nell’ambito del progetto A.S.I./’CAST’. -Problematiche MHD (Magneto Hydro Dynamics) per trasporto spaziale, nell’ambito del progetto ‘CAST’ e di vari progetti finanziati dall’ESA. -Dinamica dei plasmi, nell’ambito del progetto ESA ‘Plasma Laboratory in Spacè. -Modellistica di sorgenti di ioni negativi H-/D- utilizzabili per il programma ITER -Caratterizzazione di plasmi LIBS prodotti da laser nell’ambito del progetto MIUR/PON ‘TECSIS

Stato dell’arte La dinamica di plasmi e laser-plasmi riveste una importanza strategica in molte applicazioni tecnologiche come risulta anche dalla molteplicità di iniziative internazionali del settore. Basti ricordare i numerosi Max Planck Institute operanti nei plasmi collisionali e non collisionali , gli analoghi laboratori francesi del CNRS e dell’Ecole Politechnique , i ben noti Lebedev e Kurchatov Istituti e i Laboratori di Plasmi americani (Princeton, Dayton) e dalle molteplici iniziative italiane. Azioni

Attività da svolgere Messa a punto ed ulteriore perfezionamento (strumentazione diagnostica) delle nuove apparecchiature sperimentali per processi di deposizione. Sviluppo di nuovi metodi di calcolo e simulazione di sistemi a livello macroscopico, mesoscopico e microscopico, basati sull’analisi critica delle metodologie chimiche, fisiche e matematiche disponibili per i diversi casi. Analisi di opportunità di applicazione per le nostre competenze e creazione di nuove collaborazioni.

Punti critici e azioni da svolgere È essenziale aquisire nuovo personale per sostenere le linee di ricerca sulla simulazione di scariche elettriche e sulla interazione laser-plasma che sono assai ben avviate e caratterizzate da una copiosa produzione editoriale e riconoscimenti internazionali di diversa natura. Le reti di calcolo attualmente a disposizione potrebbero non essere del tutto adeguate per alcuni dei codici di calcolo intensivo che sono in corso di realizzazione. Occorre aumentare la visibilità a livello nazionale di alcuni punti di forza specifici (modellistica per la fusione nucleare, aerospazio). Poichè la commessa, già caratterizzata da documentata eccellenza nelle attività teoriche-computazionali, dispone di un crescente parco macchine sperimentali, bisogna aumentare l’integrazione tra queste sue attività.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Dinamica quantistica, classica e semiclassica dei processi elementari in fase gassosa: interazioni atomo-molecola, atomo atomo, elettrone-atomo, elettrone-molecola. Messa a punto ed utilizzo di strumentazione laser. Messa a punto ed utilizzo di strumentazione spettroscopica. Messa a punto ed utilizzo di reattori al plasma. Cinetica chimica numerica per reti complesse di reazione. Fenomeni di trasporto, metodo Chapman-Enskog o Monte Carlo. Gasdinamica numerica, metodi deterministici basati sulle equazioni di Eulero o Navier-Stokes, metodi stocastici (Monte Carlo). Plasmadinamica numerica, Particle in Cell (PIC) e PIC/Monte Carlo. Sviluppo di programmi Fortran e C di livello avanzato.

Strumentazione Numerose apparecchiature di calcolo connesse in rete. Apparecchiatura per analisi LIBS. Apparecchiatura per deposizione di film mediante laser. Apparecchiatura per deposizione di film mediante plasma a microonde. Apparecchiatura per interazione onda d’urto - scarica DC.


Tecniche di indagine Nel caso della produzione di film mediante laser-plasma, la commessa è in grado di confrontare misure sperimentali realizzate con la propria apparecchiatura e calcoli teorici di tipo fluidodinamico reattivo, sia deterministico che stocastico: questo confronto fornisce informazioni utili al miglioramento sia del modello che del processo.

Tecnologie La commessa dispone di expertise notevoli su metodologie di modellazione: fluidodinamica, fenomeni di trasporto. I modelli vengono implementati su programmi di calcolo autorealizzati e scritti in linguaggio fortran o C. Le competenze corrispondenti sono quindi assai sviluppate. È disponibile l’analisi di superfici mediante LIBS e sono possibili trattamenti superficiali mediante LIP ed il reattore MW recentemente realizzato.

Collaborazioni (partner e committenti) Università di Pisa - Prof. F. Pegoraro, LIMHP’ CNRS-Université de Paris Nord (FR), Max-Planck Institute fur Plasma Physik, Greifswald (GE), ESA-ESTEC ‘Nordwijk (NL), Kurchatov Institute ‘ Moscow (RU), Institute of High Temperature ‘ Moscow (RU), Mechanical and Aerospace Engn. Dept. ‘Princeton Univ. (USA), Institute for problems in mechanics ‘ Moscow (RU), Dipartimento di Chimica ‘ Univ. Perugia, Dipartimenti di Ingegneria Spaziale ‘ Univ. Bologna e Polit. Torino C.I.R.A. s.p.a. - CAPUA ALTA-Pi

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Partecipazione a bandi PRIN e FIRB/giovani. Partecipazione a bandi aperti ESA. Partecipazione all’accordo quadro CNR - Regione Puglia. Partecipazione a bandi del VII Programma Quadro.

Finalità

Obiettivi Gli obiettivi della commessa, nei settori Aerospazio, Energetica, Ambiente e Beni Culturali, possono essere riassunti: - Modelli chimico-fisici microscopici e macroscopici per rientro di navicelle spaziali; - Modellizzazione e diagnostica di sorgenti di ioni negativi H-/D- utilizzabili per il programma ITER; - Caratterizzazione di plasmi LIBS prodotti da laser al nsec, psec, fsec; Dinamica dei plasmi collisionali e non per applicazioni spaziali ed in astrofisica.

Risultati attesi nell’anno Deposizione e caratterizzazione di film di diamante mediante due tecniche: PLD e MW-PECVD con sviluppo di relativo know-how e tecnologia nella commessa. Metodologie laser-plasma per l’ablazione della cornea. Nuove determinazioni di sezioni d’urto, velocità di reazione e proprietà di trasporto per specie di interesse astrofisico e applicativo, con particolare riguardo alle atmosfere della Terra, di Marte, Giove e Titano. Ancora per quanto riguarda i processi elementari, valutazione ed applicazione di nuove metodologie, tenendo in conto problemi legati ad approssimazioni “non Born-Oppenheimer”. Sviluppo di un nuovo metodo Monte Carlo per microflussi a più componenti. Studio dell’analogo superfluido di un dusty plasma.Inserimento di modelli stato-a-stato e di proprietà di trasporto rigorose nel codice “CAST”. Ottimizzazione di sorgenti di ioni negativi per il programma “ITER”. Caratterizzazione di thruster elettrici.

Potenziale impiego - per processi produttivi Gi studi sulla deposizione di film di diamante hanno applicazioni evidenti per processi produttivi. Anche alcuni dei lavori teorici possono trovare applicazione immediata: per esempio la determinazione dei coefficienti di trasporto in miscele gassose è rilevante per la modellizzazione dei processi di depozione chimica in fase vapore mentre gli studi di modellizzazione di scariche elettriche sono di interesse per il trattamento di materiali via plasma. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Gli studi sulla modellizzazione di sorgenti di ioni negativi rientrano certemente in questa definizione in quanto la produzione di energia nucleare da fusione aprirebbe prospettive sociali ed economiche molto favorevoli, come è noto, per cui tali studi rispondono al bisogno collettivo di benessere e disponibilità di risorse. Moduli

Modulo: Dinamica di Plasmi e Laser-Plasmi Istituto esecutore: Istituto di metodologie inorganiche e dei plasmi Luogo di svolgimento attività: Sede di Bari


Dinamica dei processi atomici e molecolari Dati generali

Progetto: Ottica, Fotonica e Plasmi Tipologia di ricerca: Progetti di sviluppo competenze Istituto esecutore: Istituto di metodologie inorganiche e dei plasmi Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: LORENZO AVALDI Temi

Tematiche di ricerca Studio della ionizzazione singola e multipla e della frammentazione di molecole poliatomiche per impatto elettronico, fotoionizzazione con radiazione di sincrotrone e laser. Studio dei processi elementari di danneggiamento biologico a causa di radiazioni ionizzanti. Studio dei trasferimenti di energia V-V e quenching di stati elettronici eccitati di radicali e dei trasferimenti V-V in molecole biatomiche. Studio teorico di trasferimenti energetici in collisioni atomo/atomo,diatomo per la determinazione di sezioni d’urto e costanti di velocità. Determinazione, mediante calcoli di dinamica molecolare, di dati collisionali per reazioni catalitiche in fase eterogenea in diversi campi della ricerca applicata (energia, aerospazio). Studio della scarica a barriera di N2-O2 e sue applicazioni in energetica, aerospazio e chimica dell’atmosfera. Preparazione di materiali ad alta stabilità, selettività e attività per applicazioni cataliche.

Stato dell’arte L’attività di ricerca si colloca in un contesto europeo e mondiale di attività rilevanti al modeling di processi elementari in sistemi complessi di interesse nella chimica dell’atmosfera (ASI, MIUR), dei plasmi a bassa temperatura (Troitsk-Mosca, Bochum ,Giappone ), delle attività tecnologiche per aerospazio (ESA;ASI, NASA-AMES), energia( IAEA)e nanotecnologie. L’attività svolta dalla commessa è competitiva sia per il contenuto dei programmi, sia per i risultati ottenuti. La sfida tecnologica nel settore è rappresentata da un lato nell’ottenere una descrizione sempre più dettagliata del processo elementare in sistemi isolati misurando simultaneamente il maggior numero di parametri che lo determinano e dall’altro nell’individuare delle tecniche di diagnostica efficienti che permettano di seguire il processo nell’ambiente complesso in cui si verifica in natura (atmosfera, sistemi biologici)o nei processi tecnologici (scariche,deposizioni,motori). Dal punto di vista teorico la sfida consiste nello sviluppo di modelli collisionali quantistici in grado di determinare i parametri di reazione in sistemi e processi complessi, in particolare per catalisi eterogenea. Azioni

Attività da svolgere Studio della dinamica di fotoionizzazione pump-probe combinando laser e radiazione di sincrotrone. Studio delle correlazioni tra dinamica e struttura nella frammentazione di dicationi. Caratterizzazione dei processi di ionizzazione ed eccitazione di molecole di interesse biologico. Misure R2PI in sistemi aromatici chirali fluoro sostituiti e loro cluster con acqua,alcool e ammine chirali. Studi fotochimici e dinamici di molecole semplici. Studio con metodi di dinamica molecolare sia classica che quanto meccanica della interazione di piccole e medie molecole con superfici di metalli e di ossidi di metalli. Studio dell’effetto del sito di adsorbimento e della temperatura della superficie per ricombinazione di H/W(001).Calcoli DFT della superficie di energia potenziale per N,N2/SiO2 e O,O2/ZrB2.Dinamica degli stati vibrazionali eccitati di N2. Modellizzazione quanto meccanica an-initio per l’ interpretazione teorica di diversi processi molecolari che convolgono l’ assorbimento di raggi UV ed X. Simulazioni con modelli accurati di reazioni elementari di piccole molecole in fase gassosa di interesse per il progetto. Esperimenti di interazione di O su target UHTC in plasma jet. Studio della formazione di radicali in scariche DBD in idrocarburi. Studio di fenomeni di sincronizzazione laser degli streamers in scariche DBD di superficie. Allestimento di scariche DBD per decomposizione di VOC e test spettroscopici. Sintesi e caratterizzazione di materiali selettivi ed efficienti per catalisi eterogenea; stabili ed omogenei per applicazioni in fotofisica. Studi termici di cinetica e decomposizione di Me-complessi supportati in scambiatori ionici.

Punti critici e azioni da svolgere Scarsità di personale tecnico a causa del mancato rimpiazzo di personale andato in pensione: si istaureranno collaborazioni con altri istituti ed eventuali contratti con ditte specializzate per il supporto tecnico alle attività sperimentali. Scarsità di personale sia per la gestione degli esperimenti che per l’attività teorica: si cercherà di reperire fondi esterni per borse di studio e assegni di ricerca. Adeguamento della strumentazione: in mancanza di fondi ordinari ad-hoc si pensa di utlizzare gli overheads dei progetti presentati(qualora finanziati).


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Esperienza stabilizzata e internazionalmente riconosciuta nello settore dello studio sperimentale e teorico di processi elementari di sistemi in fase gassosa e in interazione con superficie e di sistemi plasmochimici. Competenze nella progettazione di strumentazione per rivelazione e trasporto di elettroni e ioni, di reattori plasmochimici a scarica a barriera. Sviluppo di plasmi basati su scariche elettriche a bassa ed alta pressione. Metodologie diagnostiche dei plasmi. Sviluppo di sistemi di controllo e misura per l’analisi dell’evoluzione dinamica dei sistemi plasmo-chimici in regime impulsato.Competenze teoriche nello sviluppo di codici per lo studio della struttura elettronica e reattività chimica con modelli semiclassici e quantomeccanici.

Strumentazione Apparati di spettroscopia elettronica e coincidenza elettrone-elettrone e elettrone-ione con sorgenti di elettroni e fotoni. Beamline GAPH per esperimenti di fotoionizzazione di sistemi in fase gassosa a Elettra. Sistemi on line per eccitazione ottica, rilevamento e trattamento dati per spettroscopie ottiche. Reattori plasmo-chimici basati su scariche elettriche tipo ICP impulsate a bassa pressione. Reattori a scarica barriera di volume e di superficie, reattori plasma jet in regime impulsato. Strumentazioni diagnostiche di tipo spettroscopico (Emissione, LIF, TALIF, OODR-LIF, CARS, CRDS); sonde di Langmuir per la misura delle proprietà degli elettroni nei plasmi. Diffrattometro-RX per polveri; apparato simultaneo termogravimetrico e termodifferenziale; reattori catalitici; IR; micro-analizzatore, linee per catalisi. Cluster di workstation per il calcolo intensivo, PC per elaborazione dati e codici di dinamica molecolare semiclassici e quantomeccanici.

Tecniche di indagine Spettroscopie elettroniche (per esempio EELS, Auger Electron spectroscopy, PES) e di massa per rivelazione di frammenti ionici con sorgenti di elettroni e radiazione di sincrotrone. Spettroscopie di coincidenza elettrone-elettrone ed elettrone ione. Metodologie di calibrazione di tecniche LIF, TALIF per specie atomiche e molecolari nei plasmi a base di aria. Metodi computazionali semiclassici e quantomeccanici per la descrizione della struttura elettronica e la reattività di sistemi a complessità crescente.

Tecnologie Metodologie di produzione di fasci effusivi di atomi e molecole e vapori metallici. Progettazione di apparecchiature scientifiche per spettroscopie elettroniche, ioniche ed ottiche. Metodologie di eccitazione/produzione di specie in plasma a microonde

Collaborazioni (partner e committenti) Dipartimenti di Chimica Perugia,Roma, Napoli, INFM-TASC,Sincrotrone Trieste, CNR-IFP,CNR-IPCF,CNR-IFN Trento, Acc.delle Scienze-Praga, ASI,CASPUR-Roma, Dept.de Química Física-Barcellona, CNRS-IMP di Odeillo (F), Troitsk Institute- Mosca, Physics Dept. Manchester (UK), Ioffe Institute San Pietroburgo (Russia), CNR-ISM,CNRS-LIXAM (F), FHI-MPG- Berlino, School of Physics ANU Canberra, Institute of Rarefied Gases-Novosibirsk, State University of Aerospace Instrumentation ( St. Petersburg RU), Institute for Electron Physics-Uzghorod (Ukraine)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate Sui temi della commessa e sugli argomenti correlati l’Istituto intende promuovere progetti di ricerca, sia svolgendo attività per imprese sia partecipando a bandi nazionali ed internazionali. Per le attività teoriche connesse allo studio della catalisi eterogenea continuerà la partecipazione ai progetti CAST_ASI. Per le attività di formazione sono stati presentati progetti nell’ambito del Progetto FP7-People. Per tutte le altre attività si intende presentare domande nell’ambito dei Progetti PRIN 2008 in collaborazione con unità universitarie, del Progetto PON, dei Progetti POR e delle prossime chiamate sia dei Progetti FP7 che delle Agenzie ASI e ESA. I giovani ricercatori della commessa hanno presentato nel 2008 e presenteranno anche nel 2009 domande nell’ambito del programma ERC-Starting Grant e .

Finalità

Obiettivi Caratterizzazione teorico-sperimentale di processi collisionali e radiativi indotti dalla interazione di elettroni e fotoni con atomi/molecole e di atomi /molecole con superfici. Calcolo di grandezze collisionali nei processi di collisione atomo/molecola e nei processi di superficie dovuti al chemisorbimento di atomi/molecole su substrati solidi.Studio delle cinetiche in scariche elettriche a bassa e alta pressione. Misura di coefficienti di rilassamento di specie eccitate nei plasmi in fase omogenea ed eterogenea. Produzione e caratterizzazione di nuovi materiali per catalisi eterogenea e loro applicazione nei settori dell’energetica, inquinamento atmosferico e optoelettronica.

Risultati attesi nell’anno Misura con tecniche di imaging delle distribuzioni angolari di fotoelettroni di gas rari con eccitazione a due fotoni. Caratterizzazione spettroscopica di pirimidine alogenate e uracile. Comprensione del ruolo dell’atomo di fluoro nel riconoscimento chirale:definizione dell’energetica e analisi degli spettri vibronici dei cluster diastereomerici. Fotodissociazione di PCl3 e cinetica dei fotoframmenti. Calcolo di superfici di potenziale per interazioni tra piccole molecole e diversi substrati.Superfici multidimensionali di energia potenziale e dinamica di reazione di N,N2/ su


SiO2 e di O,O2 su ZrB2. Rate costants stato-a-stato in N2-N2. Interpretazione teorica per gli spettri NEXAFS (assorbimento di fotoni X) di pirimidine alogenate e per gli spettri XPS (fotoemissione) e NEXAFS di amino acidi aromatici in fase gassossa. Studi teorici di dinamica molecolare per l’ adsorbimento di molecole d’ acqua su superfici di TiO2; in particolare verranno studiate le condizioni di adsorbimento molecolare e/o dissociativo su superfici di anatase (001). Profili di ricombinazione di O in plasma-jet di O2 su un materiale UHTC. Diagnostica LIF di CH e aspetti cinetici in reattore DBD. Realizzazione di sistemi di scariche DBD complanari a singolo filamento con sincronizzazione laser. Sviluppo di un reattore DBD per studi cinetici di VOC. Sintesi e caratterizzazione di materiali a base di Ru-trisfenantrolina/Zr fosfato, per applicazioni in fotofisica; ciclocarbonilazione ossidativa di ammino-alcooli catalizzata da Pd(II) specie/gamma-Zr o Ti fosfato; studi termici e cinetici di decomposizione di Co e Ni-complessi supportati in scambiatori ionici.

Potenziale impiego - per processi produttivi Nuovi materiali e metodologie per catalisi eterogenea - Applicazioni nel settore energetico(biodiesel),ambientale e aerospazio. Realizzazione di scariche a barriera per applicazioni nei settori energetico e ambientale. Progettazione e realizzazione di strumentazione scientifica come spettrometri per particelle cariche e per analisi ambientali - per risposte a bisogni individuali e collettivi Avanzamento della conoscenza nei settori della fisica atomica e molecolare, chimica fisica e plasmi a basse temperature Produzione di dati di sezioni d’urto, velocità di reazione, intensità di righe, canali di reazione e frammentazione di molecole, ioni e radicali per banche dati utilizzate nella modellizzazione e remote sensing dell’atmosfera, delle scariche nei plasmi industriali, in astrofisica e aerospazio, e negli studi del danneggiamento biologico a causa di radiazioni ionizzanti. Moduli

Modulo: Dinamica dei processi atomici e molecolari Istituto esecutore: Istituto di metodologie inorganiche e dei plasmi Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Modeling ab-initio della dinamica dei processi atomici e molecolari Istituto esecutore: Istituto per i processi chimico-fisici Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Nanofotonica Dati generali

Progetto: Nanoscienze e nanotecnologie Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Sede principale svolgimento: CRS NEST - LR POLYLAB Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: ALESSANDRO TREDICUCCI Temi

Tematiche di ricerca L’attività di ricerca nell’ambito della fotonica THz riguarda principalmente lo sviluppo di sorgenti laser a cascata quantica ed il loro impiego in qualità di sensori biologici e microscopia. Sono inoltre studiati innovativi sistemi a forte confinamento ottico (microcavità intersottobanda) con nuove eccitazioni di tipo polaritonico di grande interesse per la modulazione del campo di vuoto. Sempre nell’ambito della fisica delle transizioni intrabanda l’indagine di sistemi comprendenti nanofili semiconduttori è rivolta all’implementazione di primi dispositivi che dimostrino la superiore efficienza radiativa ottenibile in strutture a confinamento tridimensionale. L’attività nell’area semiconduttori è completata dalla realizzazione di dispositivi single-electron e single-photon a onde acustiche di superficie per computazione e crittografia quantistica. Infine le tematiche della commessa includono anche lo sviluppo di fibre ottiche e nanostrutture moncristalline per nuovi laser e componenti lineari e non-lineari a stato solido.

Stato dell’arte La fotonica THz è un settore in rapido sviluppo per l’implementazione di nuove applicazioni, soprattutto per quanto riguarda la sensoristica e/o la raccolta di immagini, sia in campo bio-medicale, sia dei controlli di sicurezza. I laser a cascata quantica sono la tecnologia più promettente, con ottime prestazioni in termini di potenza emessa e purezza spettrale; tuttavia la masssima temperatura di operazione è ancora limitata. La crescita epitassiale di nanofili bottom-up apre nuove possibilità in questo campo e più in generale come nuove nanotecnologie per CMOS e sistemi d’illuminazione. La realizzazione di nanofili eterostutturati è stata dimostrata ma sistemi complessi sono ancora da investigare così come il controllo del drogaggio. Dispositivi capaci di emettere singoli fotoni sono necessari per la crittografia quantistica ma non ancora in grado di funzionare senza errori ad alta frequenza. ll trasporto di singoli elettroni mediante onde acustiche è già stato realizzato ed offre una promettente piattaforma. Infine i laser in fibra sono sempre più rilevanti nelle telecomunicazioni e diversi cristalli drogati con terre rare sono interessanti anche per sistemi d’illuminazione. Azioni

Attività da svolgere In ambito terahertz è previsto per il futuro uno sforzo più ampio nella ricerca su nuovi rivelatori nanostrutturati. Saranno esaminati diodi fotoconduttivi basati sul graphene, ma anche dispositivi a nanofilo semiconduttore sia basati su risonanze plasmoniche che su giunzioni Schottky all’interno del nanofilo. Proseguirà l’attività sulla nanostrutturazione provando l’inserimento in guide d’onda laser per la misura dell’emissione e continuerà lo sviluppo di strutture basate sul SiGe. Inizieranno studi in direzione della generazione di luce “non-classica”, sia sfruttando i polaritoni intersottobanda che nanostrutture con stati elettronici entangled. Per quanto riguarda i polaritoni saranno estesi gli studi su fenomeni di QED dovuti a non-linearità ed interazione tra cavità multiple. Proseguranno gli studi su nanocristralli per generazione e rivelazione di luce UV e medio-infrarossa esaminando strutture ibride con polimeri e l’integrazione in film sottili monocristallini.

Punti critici e azioni da svolgere La realizzazione di dispositivi fotoconduttivi basati sul graphene o su nanofili per il THz richiede una attenta progettazione dell’architettura per evitare che gli strati metallici necessari per il controllo della carica impediscano l’assorbimento della radiazione nella polarizzazione richiesta. Inoltre gli esperimenti di QED richiederanno un paziente lavoro di ottimizzazione delle caratteristiche del set-up per migliorare il rapporto segnale rumore ed eliminare tutte i possibili contributi (termici, rilassamento radiativo, etc.) che potrebbero coprire il segnale polaritonico.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine NEST CNR-INFM ha un’esperienza pluriennale nello studio del trasporto e delle proprietà ottiche di nanostrutture a semiconduttore e nella realizzazione di dispositivi innovativi; è tra i leader mondiali nella fisica intersottobanda. In particolare ha un track-record di assoluta eccellenza per quanto riguarda i laser a cascata quantica e la fisica dei


sistemi elettronici mesoscopici. Tra gli highlight va citata la realizzazione del primo laser THz basato su eterostrutture nel 2002 e la prima osservazione dei polaritoni intersottobanda nel 2003.

Strumentazione NEST dispone delle più avanzate strutture per la nanofabbricazione (litografia ellettronica, nanoimprint, ICP-RIE, etc.) e per le misure di proprietà elettriche e ottiche (in tutto il range di frequenze dal lontano infrarosso all’UV) a temperature da qualche mK fino a temperatura ambiente, anche in campi magnetici fino a 16 Tesla. Si è inoltre recentemente dotato di un sistema spettroscopico ultraveloce accordabile in tutto il medio-infrarosso ed è in via di installazione una camera di crescita CBE in ultra-alto-vuoto per la realizzazione di nanofili eterostrutturati in vari semiconduttori III-V. Dispone infine di un sistema Chochralski per la sintesi di cristalli e fibre monocristalline.

Tecniche di indagine La caratterizzazione spettroscopica dei dispositivi e campioni realizzati si basa per il medio e lontano infrarosso su interferometria a trasformata di Fourier. Nel visibile e vicono infrarosso vengono inoltre effettuate misure risolte spazialmente e di correlazione per il controllo della statistica dei fotoni emessi. Misure C-I-V in criostati basati su liquidi criogenici o a ciclo chiuso con magneti superconduttivi sono utilizzate per lo studio delle proprietà di trasporto elettronico.

Tecnologie L’attività di fabbricazione si basa su varie tecniche litografiche con attacchi chimici a secco e umido per la definizione dei dispositivi e di deposizione di materiali isolanti e metallici per l’appropriata contattazione elettrica. La crescita dei campioni avviene con tecniche epitassiali in ultra alto vuoto sia da fase solida che gassosa. I cristalli drogati per apllicazioni laser in fibra vengono realizzati in forni Czokralski con tecniche di micro-pulling-down.

Collaborazioni (partner e committenti) Cambridge University (UK), Physical Sciences Inc. (USA), Universitè Paris 7 (F), DLR (FRG), Lund University (S), Rice University (USA), Tohoku Inversity (JAPAN), ENEA, New Tera Technologies (Italy), Toshiba Research Europe (UK), University of Copenhagen (Dk), Siegen University (FRG), Università di Montepellier (F), Technical University of Vienna (A), IKZ- Berlino (FRG), Laboratorio TASC, Università di Parma, CIRIL-Università di Caen (F), Università di Uppsala (S), Università di Bari, Università di Amburgo, Politecnico di Milano, TU Clausthal (FRG), ETH Zurich (CH), Ecole Normale Superieure (F), Konstanz University (FRG), Philips Research (NL)

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate È in fase di accetazione un primo progetto EC (RTN) che consentirà di ottenere due nuove unità di personale e coprire parte delle spese di consumo dell’attività in ambito polaritonico. È previsto un progetto per il PNR in ambito difesa per sviluppare ulteriormente le attività THz.

Finalità

Obiettivi L’attività mira a incrementare le prestazioni dei dispositivi THz a cascata quantica, in particolare in termini di temperatura di operazione e accordabilità in frequenza e a studiarne l’implementazione per applicazioni in biologia. Nell’ambito delle transizioni intersottobanda, la ricerca punta inoltre a sviluppare la tecnologia per la fotonica nei nanofili ed a studiare meccanismi di modulazione ultraveloce del campo di vuoto polaritonico in microcavità. Infine, ulteriori obiettivi sono la realizzazione di nanodispositivi a singoli fotoni ed elettroni per computazione e crittografia quantistica basati sul trasporto tramite onde acustiche di superficie, e lo sviluppo di nuovi materiali cristallini per componenti fotonici in fibra e per nuovi sistemi laser o di illuminazione.

Risultati attesi nell’anno • Ci si attende di dimostrare lo sviluppo di rivelatori THz fotoconduttivi a nanofilo e di misurare il gap di

monostrati di grafite in funzione del substrato sottostante. • Verrà dimostrata la compatibilità dei processi di nanostrutturazione top-down su larghe aree con la realizzazione

di guide d’onda a doppio metallo per laser terahertz. • Sarà evidenziato il regime di bleaching polaritonico tramite pompaggio ottico intersottobanda.

Potenziale impiego - per processi produttivi Le potenzialità di impiego dei laser a cascata quantica THz, sia pure ad uno stato di evoluzione ancora embrionale, sono molto interessanti e coprono un ampio range di possibilità. In particolare l’imaging terahertz può rivelarsi utile per il controllo di qualità in alcuni processi industriali (grammatura carta, asciugatura vernici, difetti nei wafer semiconduttori, etc.) - per risposte a bisogni individuali e collettivi La realizzazione di laser THz a semiconduttore ha aperto interessanti possibilità di impiego in vari settori secientifici. Si va dall’uso come oscillatori locali per la spettroscopia astronomica a sorgenti per sistemi di imaging terahertz in tempo reale da poter utilizzare per controlli di sicurezza. Allo studio è anche il loro impiego in sensori biologici per diagnostica label-free (ad es. DNA) ed in microscopia.


Delle sorgenti di singoli fotoni capaci di operare ad alta freqeunza senza errori sono l’elemento di base necessario ed ancora mancante per l’implementazione di comunicazioni sicure basate su sistemi di crittografia quantistica. I laser a stato solido che stanno venendo sviluppati nella commessa trovano infine svariate possibilità di impiego per applicazioni medicali e per telecomunicazioni sia in fibra che aria libera. Moduli

Modulo: Nanofotonica Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS NEST - LR POLYLAB


Nanostrutture a semiconduttore per la nanoelettronica e la spin-fotonica Dati generali

Progetto: Nanoscienze e nanotecnologie Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Sede principale svolgimento: CRS NEST - LR POLYLAB Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: VITTORIO PELLEGRINI Temi

Tematiche di ricerca Stati uno-dimensionali in sistemi mesoscopici definiti tramite gating metallico o attacco chimico e in nanofili a semiconduttore, stati di edge nell’effetto Hall quantistico, liquidi di Luttinger chirali, interferometri con carica frazionaria, interferometri e schemi a stato solido per la computazione quantistica, stati metallici di fermioni composti, condensazione di Bose-Einstein e instabilità eccitoniche nei bistrati elettronici, eccitazioni di spin in punti quantici, stati di spin e correlazione in punti quantici, sistemi nanostrutturati ibridi per il controllo della corrente Josephson tramite il bloccaggio di Coulomb.

Stato dell’arte Dispositivi Hall quantistici coerenti sono oggetto di interesse teorico anche a fattori di riempimento maggiori di 1 (5/2) [1]. Evidenze di condensazione eccitonica nei bistrati derivano da esperimenti basati su tecniche di magneto-trasporto [2]. Numerosi esperimenti di magneto-trasporto hanno studiato effetti di spin in punti quantici [3] e solo più recentemente gli effetti di correlazione e gli spettri delle eccitazioni di spin in punti quantici a pochi elettroni sono stati investigati tramite metodologie ottiche [4]. Risultati recenti su nanofili InAs connessi a elettrodi superconduttori hanno dimostrato la possibilità di modulare la corrente Jospehson modulando la carica confinata nel nanofilo [5]. [1] S. Das Sarma et al., Phys. Rev. Lett. (2005) [2] J. Eisenstein Science (2004) [3] D. Austing et al., Rev. Prog. Phys (2001) [4] C.P. Garcia et al., Phys. Rev. Lett. (2005) [5] J.A. van Dam et al. Nature (2006) Azioni

Attività da svolgere L’attività si concentrerà sullo studio di stati uno-dimensionali in sistemi mesoscopici definiti tramite gating metallico e in nanofili a semiconduttore. A questo fine verranno utilizzate sia la macchina di crescita chemical beam epitaxy (CBE) recentemente installata al centro NEST sia il nuovo sistema di microscopia a scansione (SGM). Obiettivo di questa attività è quello di studiare i processi di tunneling tra stati di edge Hall quantistico a diversi fattori di riempimento e di visualizzare il trasporto attraverso una punta di contatto quantica in regime Hall quantistico tramite SGM. Nel caso dei nanofili, l’obiettivo è quello di ottimizzare il processo di crescita e quindi le proprietà di trasporto elettronico lungo il nanofilo e studiare il trasporto in regime balistico. Per quanto riguarda l’attività sperimentale su stati correlati in bistrati AlGaAs/GaAs in regime Hall quantistico, ci si focalizzerà sullo studio delle eccitazioni di spin tramite diffusione anelastica di luce nel regime superfluido che si ottiene a fattore di riempimento unitario in sistemi a tunneling gap zero. In particolare si studierà l’evoluzione di questo stati all’aumentare della temperatura. Per quanto riguarda l’attività di spettroscopia ottica su punti quantici AlGaAs/GaAs, l’obiettivo è quello di controllare otticamente il numero di elettroni confinati con precisione del singolo elettrone. A questo fine verranno realizzati punti quantici sia singoli che accoppiati e verrà studiata l’evoluzione delle eccitazioni di spin e carica in funzione della dimensione del punto quantico, del grado di accoppiamento dei due punti quantici e dell’intensità di illuminazione ad energia superiore al gap della barriere di AlGaAs. Allo studio teorico degli effetti a molti corpi nello spettro delle eccitazioni elementari nel grafene, nei bistrati di grafene e nella grafite, verrà aggiunta una attività sperimentale basata sulla tecnica raman che avrà come obiettivo quello di studiare l’impatto dell’interazione elettrone-fonone in presenza di campo magnetico nella grafite inizialmente e nel grafene successivamente. Una ulteriore attività si focalizzerà sulla realizzazione e misura delle proprietà di trasporto di sistemi ibridi nanostrutturati Nb-InAs-Nb per il controllo della corrente Josephson tramite il bloccaggio di Coulomb.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Sintesi, lavorazione e controllo di sistemi nanostrutturati tramite epitassia a fasci molecolari (MBE), nanolitografia e processi di “etching”, tramite processi di deposizione di metalli e superconduttori; competenze nella realizzazione di sistemi e dispositivi nanostrutturati per fotonica, optoelettronica e spintronica quali punti quantici (QD) a pochi elettroni, interferometri elettronici, stati unidimensionali di bordo nel regime Hall quantistico, nanofili a semiconduttore (in allestimento), dispositivi coerenti nei nanosistemi, sistemi ibridi superconduttore-QD, manipolazione di spin in QD a pochi elettroni, coerenza macroscopica in sistemi elettronici due-dimensionali;


tecniche di indagine basate su magneto-spettroscopia ottica a T=40mK e alti B, magneto-trasporto fino a T=20mK, microscopia a scansione (SGM) a T=300mK e alti B (set-up in allestimento); metodi per il progetto al calcolatore dei nanosistemi.

Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Columbia University: Prof. Aron Pinczuk Bell laboratories: Dr. Loren Pfeiffer Harvard University: Prof. Robert Westervelt Texas University: Prof. Allan MacDonald Walter Schottky Institute: Prof. Gerhard Abstreiter, Matt Grayson Institute of Solid State Physics Chernogolovka: Prof. Valeri Dolgopolov Missuri University: Prof. Giovanni Vignale S3-Modena: Prof. E. Molinari, G. Goldoni, M. Rontani

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate • Sottomissione progetti europei (FET, NMP, ERC). • Progetti PRIN. • Progetti ministero degli esteri.

Finalità

Obiettivi Osservazione di transizioni di fase tra stati di spin in punti quantici a pochi elettroni tramite l’applicazione di campi magnetici; osservazione della coerenza elettronica in bistrati elettronici a fattore di riempimento uguale a 1 e definizione di procedure sperimentali per la misura del parametro d’ordine; osservazione di stati metallici di fermioni composti nei bistrati elettronici a fattore di riempimento pari a 1; evidenze sperimentali nel magneto-trasporto di liquidi di luttinger chirali nel regime Hall quantistico; determinazione teorica delle fasi correlate e delle eccitazioni collettive di sistemi elettronici in bistrati elettronici, nel grafene e in punti quantici a semiconduttore. Realizzazione e studio di sistemi ibridi (InAs/Nb) per la nanoelettronica non-dissipativa, effetto Coulomb blockade e supercorrente.

Risultati attesi nell’anno • Identificazione della transizione a temperature finita dello stato correlato quantum Hall in bistrati a fattore di

riempiment uguale a 1 tramite diffusione anelstica di luce . • Dimostrazione del controllo ottico del numero di elettroni in punti quantici AlGaAs/GaAs fino al limite di

occupazione di singolo elettrone. • Realizzazione e studio delle eccitazioni collettive di punti quantici AlGaAs/GaAs accoppiati lateralmente. • Studio teorico della dispersione del plasmone in grafene e bistrati di grafene e studio sperimentale della struttura

dei livelli di Landau tramite osservazione delle risonanze magneto-fononiche. • Misura della supercorrente in giunzioni Nb-2DEG (confinato in InGaAs/InAs/AlInAs)-Nb e realizzazione di

punti quantici tramite gating nel semiconduttore.


Modulo: Nanostrutture a semiconduttore per la nanoelettronica e la spin-fotonica Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS NEST - LR POLYLAB


Proteine fluorescenti per il bioimaging avanzato Dati generali

Progetto: Nanoscienze e nanotecnologie Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Sede principale svolgimento: CRS NEST - LR POLYLAB Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: RICCARDO NIFOSI’ Temi

Tematiche di ricerca Spettroscopia a singola molecola a uno e due fotoni. Fotofisica e fotochimica delle proteine fluorescenti. Disegno al calcolatore e produzione di nuovi mutanti fotocromici di proteine fluorescenti. Immobilizzazione di proteine tramite auto-assemblaggio su substrati funzionalizzati. Nuove tecniche per il monitoraggio ottico di eventi molecolari all’interno della cellula basate sia su molecole esprimibili geneticamente (proteine) che su nanocristalli di sintesi. Biosensori FRET intracellulari per l’analisi di modifiche post traduzionali di proteine. Rilascio intracellulare di profarmaci attivati dall’interazione con proteine o mediante stimoli luminosi esterni.

Stato dell’arte Lo sviluppo delle tecniche di microscopia di fluorescenza ha fornito uno strumento di fondamentale importanza per le scienze mediche e biologiche, rendendo possibile la visualizzazione di eventi molecolari in tessuti e in cellule viventi, con risoluzione sub-micrometrica. Un ingrediente chiave per la microscopia di fluorescenza è la disponibilità di fluorofori, ossia di molecole in grado di assorbire luce di una specifica lunghezza d’onda, e di ri-emettere a lunghezza d’onda maggiore. Le proteine fluorescenti costituiscono una classe di fluorofori a sè stante, in grado di essere codificata geneticamente. Infatti, il cromoforo delle proteine fluorescenti si forma in maniera autocatalitica. Grazie a questa proprietà unica, il gene delle proteine fluorescenti può essere espresso in organismi eterologhi e usato da solo per visualizzare la morfologia cellulare in tessuti viventi e in chimere in cui viene fuso ad altre proteine di interesse per studiarne il traffiking intracellulare e le interazioni. Lo studio della fotofisica di queste proteine e la possibilità di manipoloarne le proprietà tramite mutagenesi si propone di fornire nuovi strumenti per l’imaging biomolecolare. Azioni

Attività da svolgere • Studio computazionale e sperimentale di come gli amminoacidi attorno al cromoforo influenzano la stabilità

termodinamica dello stato non fluorescente. Studi NMR sul fotocromismo. • Disegno di proteine fluorescenti con minore peso molecolare, contenenti il cromoforo della GFP o altri possibili

derivati fluorescenti ottenuti da modifiche post-traduzionali. Analisi dei requisiti per la formazione del cromoforo.

• Sintesi e caratterizzazione di composti cumarinici, da usare come fluorofori sensibili all’ambiente • molecolare, da usare come componenti in biosensori per l’individuazione di specifiche proteine in cellule viventi.

Realizzazione di dendrimeri come scaffold per l’internalizzazione di farmaci. • Sviluppo di nuovi mutanti del peptide TAT11, per l’internalizzazione nucleare di molecole tramite sequenze

segnale. • Applicazioni dei modelli coarse-grain per la simulazione multi-scala sviluppati nell’anno precedente per

complessi macromolecolari di proteine e acidi nucleici. Tra questi lo studio di aggregazione delle GFP e di un sistema FRET GFP-linker-GFP e/o altri sistemi macromolecolari di interesse, dinamica di forme complesse di RNA o di complessi di DNA con proteine e/o substrati artificiali.

Punti critici e azioni da svolgere Lo studio NMR del fotocromismo richederà di marcare opportunamente il cromoforo, usando amminoacidi deuterati. Per il disegno di proteine fluorescenti con minor peso molecolare sarà necessario stabilire se in nuove architetture sia possibile ricreare tutti i requisiti necessari alla formazione del cromoforo. Per quanto riguarda i composti cumarinici, dovranno essere individuati i sostituenti che aumentino la variazione di dipolo a seguito dell’eccitazione, in modo da accrescere la sensibilità alla polarità dell’ambiente molecolare circostante. Messa a punto di un campo di forze coarse-grain per la simulazione delle proteine fluorescenti.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine La commessa comprende competenze multidisciplinari relative a tecniche sperimentali per l’imaging cellulare tramite spettroscopia di fluorescenza, sintesi di proteine ricombinanti, sintesi chimica, metodologie computazionali per la modellizzazione molecolare.

Strumentazione Microscopio confocale. Rivelatore TCSPC (time correlated spectroscopy photon counting) del tempo di vita di fluorescenza. Spettrofotometro e Spettrofluorimetro, Stop-flow. Nanobilancia. Strumentazione per manipolazione campioni biologici (PCR, incubatori, centrifughe). NMR (300 MHz). FPLC (Fast protein liquid chromatography) con rivelatore di assorbimento e FCS (fluorescence correlation spectroscopy). HPLC (high performance liquid chromatography) con rivelatori di assorbimento e di indice di rifrazione. Laser pulsati infrarossi per l’eccitazione a due fotoni (automatico e manuale). Fotoacustica. Cluster IBM con 14 nodi biprocessore.

Tecniche di indagine Spettroscopia di assorbimento e fluorescenza d’insieme e di singola molecola; spettroscopia Raman e Raman SERS; spettroscopia multifotone; spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo (stop flow, pH jump, fotolisi, fotoacustica); spettroscopia di correlazione di fluorescenza; spettroscopia NMR di molecole organiche; pump and probe con innesco di fotolisi e risoluzione al nanosecondo. Imaging avanzati (FRAP, FRET, FLIM, FCS) di cellule e di tessuti in vivo. Metodi computazionali per la dinamica molecolare sia ab initio che basata su campi di forza empirici, sia all-atom che coarse grained. Valutazione di affinità molecolare. Predizione delle proprietà spettrali di molecole organiche in diversi micro ambienti tramite tecniche ibride quanto-meccaniche e di meccanica molecolare (QM/MM).

Tecnologie Metodi di biologia molecolare per la realizzazione di vettori di espressione in eucarioti e procarioti; tecniche di purificazione proteica; tecniche di sintesi organica. Protocolli di litografia non convenzionale (nanoimprint lithography, soft lithography) per la nanolavorazione di polimeri biocompatibili.

Collaborazioni (partner e committenti) Prof. Roberto Cingolani, Università di Lecce; Dr. Guido Pintacuda, ENS Lyon; Prof. Yi Luo, KTH Stockholm; Prof. Massimo Olivucci, Università di Siena; Prof. J. Andrew McCammon, University of California, San Diego; Prof. Arianna Menciassi, Scuola di Studi Superiori Sant’Anna, Pisa; Dr. Riccardo Brambilla, San Raffaele, Milano; Dr. Marco de Curtis, Ist. Neurologico Besta, Milano; Prof. Giorgio Carmignoto, Ist di Neuroscienze CNR, Padova; Prof. Tommaso Pizzorusso, Università di Firenze; Dr. Mario Costa, Ist. Neuroscienze, Pisa;

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate • Sottomissione progetti FIRB “Futuro in Ricerca”. • Sottomissione progetti PRIN.

Finalità

Obiettivi Progettazione e sviluppo di nuove proteine fluorescenti con speciali proprietà ottiche, a partire dalle strutture molecolari di proteine fluorescenti note (GFP, BFP, dsRED, AsCP,eqFP611...). Realizzazione di dispositici bio- optoelettronici basati su proteine fotocromiche e altri eventuali fluorofori. Sviluppo di nuove tecniche per il monitoraggio intracellulare di singoli eventi molecolari, utilizzando marcatori ottici di natura proteica, organica e inorganica. Biosensori FRET intracellulari l’analisi di modifiche post traduzionali di proteine. Biosensori intracellulari per metaboliti quali ioni cloro e idrogeno. Rilascio intracellulare di profarmaci attivati dall’interazione con proteine o mediante stimoli luminosi esterni.

Risultati attesi nell’anno • Realizzazione di proteine fotocromiche con maggiore stabilità termodinamica dello stato non fluorescente, in

modo da aumentare il tempo di ritorno spontaneo. • Individuazione dei requisiti per la formazione del cromoforo nelle proteine fluorescenti. Individuazione di

possibili modifiche post-traduzionali che risultino in derivati fluorescenti. • Realizzazione di fluorofori cumarinici con alta sensibilità all’ambiente molecolare circostante. • Caratterizzazione delle proprietà di trasporto dei peptidi derivati da TAT. • Studio tramite simulazione coarse-grain di aggregazione delle GFP e di un sistema FRET GFP-linker-GFP.

Predizione dell’efficienza di FRET del sistema per un confronto quantitativo con l’esperimento.


Potenziale impiego - per processi produttivi I sistemi fotocromici basati su proteine possono avere importanti ricadute sull’elettronica come metodi alternativi per l’immagazzinamento di informazione. In particolare, la natura proteica di questi sistemi dovrebbe consentire la modulazione fine delle proprietà ottiche mediante modificazioni razionali della struttura primaria, suggerite dalla modellizzazione computazionale. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I biosensori sotto studio dovrebbero permettere di quantificare l’entità delle modifiche post traduzionali a livello intracellulare delle proteine coinvolte in patologie di rilievo, fornendo indicazioni utili allo sviluppo di nuove terapie. Infine, la realizzazione di peptidi in grado di veicolare farmaci in specifici comparti intracellulari permetterà un’azione selettiva di specie farmacologiche nelle regioni di interesse. Moduli

Modulo: Proteine fluorescenti per il bioimaging avanzato Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS NEST - LR POLYLAB


Trasporto mesoscopico in nanostrutture ibride Dati generali

Progetto: Nanoscienze e nanotecnologie Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Sede principale svolgimento: CRS NEST - LR POLYLAB Dip. di prevista afferenza: Materiali e Dispositivi Responsabile indicato: FRANCESCO GIAZOTTO Temi

Tematiche di ricerca • Trasporto mesoscopico in nanostrutture ibride semiconduttore-superconducttore, ferromagnete-superconduttore,

metallo normale-superconduttore. • Studio dell’interazione spin-orbita in gas bidimensionali. • Dispositivi superconduttivi per la refrigerazione elettronica e di reticolo. • Trasporto nel regime di nonequilibrio in nanostrutture ibride. • Transistor Josephson nel regime di nonequilibrio. • Dispositivi ibridi per la spintronica. • Trasporto coerente in nanostrutture semiconduttrici. • Pompaggio adiabatico e non adiabatico di carica e calore. • Detector superconduttivi. • Transistor Josephson in punti quantici. • Trasporto di carica e di calore in sistemi ibridi superconduttore-grafene. • Controllo della coerenza quantistica in dispositivi realizzati con superconduttori ad alta temperatura. • Studio delle transiszioni di fase quantistiche.

Stato dell’arte L’investigazione delle proprietà di trasporto elettronico nei sistemi ibridi rappresenta un’importante branca della fisica dello stato solido, dove fenomenologie tipiche dello stato ferromagnetico, superconduttivo e di sistemi a dimensionalità ridotta coesistono nella stessa struttura dando luogo a nuove effetti esotici. I dispositivi superconduttivi e ibridi aprono nuove vie e metodologie per la refrigerazione a stato solido e nuove tipologie di transistor a supercorrente. Azioni

Attività da svolgere Si intende procedere allo sviluppo del protocollo per la deposizione di vanadio (V) come superconduttore da utilizzare in nanostrutture ibride superconduttive. In seguito si procederà alla realizzazione di giunzioni superconduttore-metallo normale-superconduttore di tipo V/Cu/V sia singole che integrate con nanorefrigeratori superconduttivi di tipo Al/AlOx/Cu. Questo permetterebbe in linea di principio un controllo migliore dell’accoppiamento Josephson in tale strutture rispetto a quelle utilizzanti solo Al come materiale superconduttore. Inoltre si intende sviluppare il protocollo per la fabbricazione di nanorefrigeratori totalmente superconduttivi Al/AlOx/V che consentirebbero un utilizzo a temperature maggiori rispetto a quelli utilizzanti Al. Dal punto di vista teorico si intende completare lo studio del ruolo dell’effetto prossimità sul calore specifico in metalli prossimizzati includendo effetti dovuti a non idealità delle interfacce e rilassamento nella regione normale. Inoltre l’attività sarà rivolta anche allo studio dell’interazione elettrone-fonone in metalli prossimizzati ed al suo controllo tramite variazione della fase macroscopica dello stato superconduttivo. Parte dell’attività futura si configura globalmente come continuazione del lavoro fatto fino ad ora: realizzazione di dispositivi nanostrutturati con superconduttori ad alta temperatura critica (HTS), studio delle proprietà di trasporto di tali dispositivi. Su tale matrice si innesteranno nuovi filoni di ricerca finalizzati all’integrazione di HTS con semiconduttori per dispositivi ibridi con varie funzionalità, alla realizzazione e caratterizzazione di nanowire HTS. Gli studi sugli effetti quantistici macroscopici in giunzioni e nanobridges, sui processi dissipativi ed i fenomeni di coerenza, sugli effetti mesoscopici e sull’effetto di campo rappresentano contenuti importanti della ricerca da svolgere su tempi medio-lunghi. L’attività sperimentale si comporrà ancora di una parte di fabbricazione e preparazione dei campioni, e di una fase di caratterizzazione di tipo strutturale e di misura delle proprietà di trasporto degli stessi campioni alle basse temperature. Per gli effetti quantistici le misure saranno realizzate alle temperature ultra-basse sotto 1 K fino a decine di mK. La direzione è di fornire cellule HTS/ibride per una piattaforma di sensori quantistici e per nuovi protocolli per la quantum computation, in grado di valorizzare le proprietà uniche dei HTS (“quiet qubits”). L’integrazione di sistemi


a stato solido con atomi freddi/condensati sembra una delle linee più promettenti per la realizzazione di qubit ibridi caratterizzati da tempi di coerenza sempre maggiori. L’ulteriore riduzione delle dimensioni delle giunzioni e dei microbridge su scala nano-metrica sarà un obiettivo primario per un maggior controllo e riproducibilità delle proprietà. La giunzione biepitassiale larga 200-300 nm su un singolo grano dell’elettrodo 103 rappresenta il limite ultimo. Il lavoro di progettazione avanzata dei dispositivi andrà di pari passo con una continua ottimizzazione dei singoli passi di fabbricazione e delle tecniche di nanotecnologie. Sulla base di collaborazioni esterne saranno analizzati anche strutture composte da materiali diversi. Si intende completare il sistema di misura del criostato a diluizione con acquisizione di elettronica a basso rumore per poter realizzare in prospettiva anche le più raffinate misure quantistiche in Italia

Punti critici e azioni da svolgere Un possibile punto critico potrebbe essere la qualità della giunzione tunnel V/AlOx/Al, in quanto al momento non è chiaro il livello di trasmissività ottenibile con tale combinazione di materiali. La deposizione di uno strato sottile di qualche nm di Al al contatto con l’ossido riteniamo possa risolvere questo possibile problema, come nel caso di barriere tunnel Al/AlOx/Ti. Sicuramente ad una parte solida di attività più direttamente collegata a lavoro ed esperienze consolidate in questi ultimi anni, si affianca una parte più d’avanguardia con obiettivi rilevanti anche a lungo range. In particolare, fra questi, la circuitistica quantistica può considerarsi scientificamente più complessa e critica. Una serie di target intermedi legati allo studio dei processi coerenti costituisce una linea di sviluppo solida verso i più ambiziosi progetti successivi. L’aspetto più critico riguarda la difficoltà a progettare temporalmente tutti i singoli step dell’attività di ricerca a causa della consistenza dei finanziamenti e delle incertezze dei tempi e dei modi degli stessi. Queste criticità non incideranno sulle tecnologie già sviluppate, ma potrebbero aver conseguenze sul completamento di attrezzature in parte disponibili e sul consolidamento di know-how in progress.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Realizzazione di strutture ibride semiconduttore-superconduttore tramite tecniche combinate di litografia ottica ed elettronica, etching a secco (RIE e ICP) e deposizione di superconduttore (Nb e/o NbN) tramite sputtering (DC e RF) o evaporazione termica (Al, Nb). Fabbricazione di nanostrutture metalliche tramite litografia elettronica combinata con deposizione ad angolo da evaporatore a fascio elettronico. Tecniche di ottimizzazione in-situ dell’interfaccia semiconduttore-superconduttore. Caratterizzazione magnetoelettrica delle strutture fino a 10 mK e 16 Tesla. Misura della temperatura elettronica effettiva e delle distribuzioni di quasiparticella in nanostrutture metalliche nel regime di forte non equilibrio.

Strumentazione • Realizzazione di strutture ibride semiconduttore-superconduttore tramite tecniche combinate di litografia ottica

ed elettronica, etching a secco (RIE e ICP) e deposizione di superconduttore (Nb e/o NbN) tramite sputtering (DC e RF) o evaporazione termica (Al, Nb).

• Fabbricazione di nanostrutture metalliche tramite litografia elettronica combinata con deposizione ad angolo da evaporatore a fascio elettronico.

• Tecniche di ottimizzazione in-situ dell’interfaccia semiconduttore-superconduttore. • Caratterizzazione magnetoelettrica delle strutture fino a 10 mK e 16 Tesla. Misura della temperatura elettronica

effettiva e delle distribuzioni di quasiparticella in nanostrutture metalliche nel regime di forte non equilibrio.

Tecniche di indagine • Caratterizzazione magneto-elettrica del trasporto elettronico tramite misure corrente-tensione e conduttanza

differenziale-tensione. • Determinazione della funzione di distribuzione di quasiparticella tramite elettrodi superconduttivi accoppiati alle

strutture. • Inoltre, determinazione della temperatura elettronica nelle strutture tramite elettrodi superconduttivi. • Caratterizzazione della corrente Josephson per la determinazione del livello di nonequilibrio. • Misure di interferometria elettronica per la caratterizzazione del trasporto mesoscopico.

Tecnologie Studio teorico e modellazione del trasporto sia di carica che di calore in nanostrutture ibride tramite tecnica delle matrici di scattering, tight-binding, Hamiltoniana di tunneling, e funzione di Green. Tali tecniche sono utilizzate sia per l’ottenimento di risultati analitici che numerici tramite l’implementazione di opportuni codici.


Collaborazioni (partner e committenti) Helsinki University of Technology (FIN) Trinity College Dublin (IRL) CNRS (F), Universitè Joseph Fourier (F) University of Twente (NL) Rutgers University (USA) University of Bochum (D) Laboratorio TASC University of Basel (CH) Universitè Paris-Sud (F) FORTH (GR) University of Dusseldorf (D) TU Delft (NL), University of Karlsruhe (D) CEA Grenoble (F).

Iniziative per l’acquisizione di ulteriori entrate

Finalità

Obiettivi L’attività mira a realizzare efficienti micro- e nanorefrigeratori a stato solido e a ottimizzarne l’implementazione on-chip. Inoltre, a realizzare giunzioni Josephson controllabili al livello di singola particella con punti quantici, allo studio di interazione spin orbita e sua implementazione per dispositivi di tipo coerente, alla comprensione dei fenomeni di trasporto di carica e calore e di nonequilibrio in nanostrutture ibride, allo studio delle interazioni di quasiparticella su scala mesoscopica, alla esplorazione di nuovi metodi per la refrigerazione a stato solido sia nel regime statico che dinamico.

Risultati attesi nell’anno Come risultati ci attendiamo lo sviluppo completo del protocollo per la deposizione di film sottili di V con temperature critiche vicine a quelle di bulk. Inoltre ci attendiamo lo sviluppo del protocollo di fabbricazione e la caratterizzazione di giunzioni mesoscopiche V/Cu/V con alte correnti Josephson. Infine la realizzazione di giunzioni tunnel superconduttive del tipo V/AlOx/Al e loro caratterizzazione elettrica a temperature criogeniche. In quest’ultimo caso prevediamo di usare tali giunzioni tunnel come elementi base per la realizzazione di refrigeratori superconduttivi simmetrici V/AlOx/Al/AlOx/V. I risultati attesi riguardano sia la realizzazione di nuovi dispositivi fondamentalmente basati su HTS che nuovi contributi sulla fisica degli effetti quantistici macroscopici e mesoscopici in giunzioni e nanostrutture HTS, sui meccanismi di trasporto in sistemi HTS. In particolare nanostrutture di HTS di varie geometrie con dimensioni dell’ordine di 100 nm sono fra i primi obiettivi, insieme a giunzioni su singolo grano. Studi di quantizzazione su aree dell’ordine delle centinaia di nanometri quadri saranno realizzati in vista di sensori nanometrici di flusso. Ci si attendono miglioramenti sull’uniformità delle proprietà di giunzioni e nanostrutture tramite processi più accurati di fabbricazione, approcci bottom-up, e scelta di materiali e parametri di processo, quali i substrati dove crescere le giunzioni, tecniche di mascherature nei processi di fotolitografia. La facility delle temperature ultrabasse fondamentalmente orientata per misure quantistiche su nanostrutture e giunzioni, sarà aperta a collaborazioni scientifiche su problemi d’avanguardia.

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Una parte dell’attività è dedicata all’ideazione di nuovi processi di refrigerazione a stato solido che in un prossimo futuro possano sostituire l’utilizzo di refrigeratori utilizzanti liquidi criogenici. Questo risultato sarebbe di grande impatto sia per la ricerca di base per lo studio del trasporto coerente, che dal punto di vista delle applicazioni, mettendo a disposizione nuove tecniche di refrigerazione per elettronica criogenica. A tale scopo l’attività mira alla realizzazione di refrigeratori quantistici superconduttivi e alla loro caratterizzazione ed ottimizzazione per l’ottenimento di temperature elettroniche minori di 10 mK partendo da temperature di reticolo di 100-300 mK. Inoltre, si mira all’ideazione di sensori di radiazione di nuovo concetto basati sul nonequilibrio che possano aumentare la capacità di rilevamento e sensibilità rispetto a detector più tradizionali comunemente usati nella ricerca di base e telecomunicazione.


Moduli

Modulo: Trasporto mesoscopico in nanostrutture ibride Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS NEST - LR POLYLAB

Modulo: Proprietà quantistiche di strutture superconduttive ed ibride Istituto esecutore: Centro di responsabilità scientifica INFM Luogo di svolgimento attività: CRS COHERENTIA


FISIOPATOLOGIA CARDIOPOLMONARE E METABOLICA Dati generali

Progetto: Malattie Cardiopolmonari Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: ANTONIO L'ABBATE Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca specifiche della Commessa sono: Malattie Cardiovascolari, Malattie Polmonari e Malattie Metaboliche di interesse cardiovascolare. Queste sono strettamente correlate con le linee sviluppate nelle altre Commesse del PdGp. La ricerca ha prevalentemente carattere fisiopatologico e metodologico, indaga nuovi approcci diagnostici, terapeutici e preventivi, valuta la dimensione epidemiologica del problema clinico e il costo/beneficio delle soluzioni proposte. I meccanismi di malattia vengono studiati nelle loro componenti molecolari, anatomiche e funzionali ricercando la trasversalità di meccanismi comuni a malattie diverse, come la disfunzione endoteliale, l'infiammazione e lo stress ossidativo. La trasversalità è affidata inoltre alla Virtual Physiology e Virtual Pathology con la descrizione di modelli multi-livello e simulazioni, in grado di integrare le informazioni multiparametriche provenienti da sorgenti eterogenee, predire l'evoluzione della malattia nel singolo paziente e fornire un supporto alla personalizzazione del trattamento.

Stato dell'arte La ricerca degli ultimi decenni ha individuato per le malattie cardiopolmonari una serie di fattori di rischio legati allo stile di vita e all'ambiente. Tuttavia, è oggi chiaro che questa conoscenza, che non ha trovato soluzioni compiute in raccomandazioni di tipo preventivo, debba essere tradotta in conoscenze specifiche sui meccanismi che legano l'ambiente all'infinitamente piccolo dell'organismo vivente. Questa aspettativa risulta ragionevole sulla base degli enormi progressi registrati da un lato dalla biologia molecolare, dalla genetica, proteomica ecc, e dall'altro, nel campo tecnologico, dalle apparecchiature di imaging clinico che permettono di ottenere informazioni e misure non possibili sino ad oggi. La medicina clinica, dopo un percorso di frammentazione in aree sempre più specialistiche, richiede oggi che vengano ricondotti alla clinica i molteplici processi di controllo e d'integrazione scaturiti dalla ricerca di base. D'altro canto è sempre più sentita la necessità di integrare le molteplici informazioni originate da sorgenti eterogenee con importanti contributi da parte delle tecnologie informatiche. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Storicamente, il personale di ricerca dell'IFC ha una composizione multidisciplinare tale da permettere di disegnare e di eseguire interamente al suo interno un progetto di ricerca che richieda la partecipazione e l'integrazione di professionalità e competenze diverse. Oltre a quelle mediche sono infatti disponibili in IFC competenze biologiche, informatiche, ingegneristiche, chimiche, fisiche, matematiche. La collaborazione tra ricercatori di diversa formazione garantisce alla ricerca clinica l'originalità dell'approccio e la possibilità di confrontarsi con l'ambito sperimentale e biologico così come con quello modellistico e tecnologico.

Strumentazione I progetti inclusi nella Commessa utilizzano numerosi strumenti e tecnologie di ultima generazione. La stretta interdipendenza tra assistenza e ricerca clinica fa sì che la ricerca possa disporre dell'intera strumentazione utilizzata per l'assistenza, dalle terapie intensive, alle sale chirurgiche, ai laboratori di emodinamica, alle grandi apparecchiature che abbracciano a tutto campo l'imaging non invasivo (SPECT, PET, NMR, MDTC, PET-TAC). A questa strumentazione va aggiunta quella propria dei laboratori di chimica clinica e di biologia, inclusi i laboratori di genetica e quello di proteomica, così come i laboratori sperimentali. Va infine ricordata la strumentazione di tipo informatico, da un lato essenziale per l'acquisizione, l'analisi e l'elaborazione di segnali ed immagini, dall'altro elemento indispensabile per la raccolta, archiviazione ed analisi dei dati clinici e strumentali della popolazione dei pazienti afferenti alle strutture sanitarie dell'Istituto. La strumentazione a disposizione della Commessa è descritta con ulteriore dettaglio nelle altre Commesse IFC.


Tecniche di indagine Le tecniche impiegate sono molteplici e, anche se in modo artificioso, classificabili in: tecniche diagnostiche, terapeutiche, analitiche di laboratorio e informatiche. Quelle diagnostiche comprendono tutte le tecniche, invasive e non, semplici e complesse, oggi disponibili per la diagnosi delle patologie che afferiscono ai protocolli di ricerca della Commessa. Le tecniche terapeutiche includono quelle chirurgiche (cardiochirurgia pediatrica e dell'adulto) così come quelle interventistiche (angioplastica, ablazione). Le tecniche analitiche sono quelle di pertinenza della diagnostica di laboratorio, ivi inclusa la biologia molecolare, la genetica e la proteomica mentre quelle informatiche si riferiscono alle tecniche di acquisizione, elaborazione ed analisi di segnali fisiologici e di immagini.

Tecnologie Le tecnologie di pertinenza clinica sono quelle utilizzate nell'attività assistenziale di IFC e sono descritte nella Commessa Tecnologie Biomediche.

Collaborazioni (partner e committenti) Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa Scuola Normale Superiore, Pisa Università di Pisa: Dipartimento di Endocrinologia, Dipartimento Cardio-Toracico e Vascolare -U.O. di Fisiopatologia Respiratoria-, Centro Coordinamento Trapianti di Fegato, Dipartimento di Patologia Sperimentale, Dipartimento di Medicina Interna. Azienda O-U Pisana : U.O. di Chirurgia Generale IV, Divisione di Epatologia, Divisione di Chirurgia. Università di Firenze: Dipartimento dell'Area Critica. Ospedale S. Maria Nuova, Firenze. Ospedale Niguarda Cà Granda, Milano. Università Cattolica, Roma. Università di Ancona: Istituto di Anatomia. Istituto Auxologico Italiano. Centro Cardiologico Monzino IRCCS, Milano. Ospedale Polichirurgico- UO Scompenso, Piacenza. Libera Università "Vita Salute S.Raffaele" Milano. DiaSorin SpA, Saluggia (VC). CNR Istituto Tecnologie Biomediche, Milano. Università di Città del Messico. Division of Diabetes, University of Texas, Health Science Center, San Antonio, Texas. Department of Cardiac Surgery, Medical University, Innsbruck. St. Mary's Hospital, Int. Center for Circulatory Health, London.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate • Progetti Europei in atto (MYORES, EXGENESIS, HeartRepair). • Programmi europei FP7 (invecchiamento, riabilitazione in pazienti con paralisi flaccida e spastica). • Progetti Association Francaise contre les Myopathies. • Progetti Telethon. • Progetti Agenzia Spaziale Italiana. • Contratti di ricerca con ditte farmaceutiche. • Programmi di ricerca Regione Veneto. • Progetti di Ateneo (Università di Padova).

Finalità

Obiettivi Ricerca di nuovi approcci a diagnosi, trattamento e prevenzione delle malattie cardiopolmonari, centrata su un approccio meccanicistico, nella convinzione che l'avanzamento delle conoscenze sul piano fisiopatologico costituisca il presupposto per un avanzamento concreto sul piano operativo della clinica e della prevenzione. In particolare l'attenzione si concentra sulla fisiopatologia della microcircolazione e dei grandi sistemi di controllo dell'omeostasi corporea (neuro-endocrino, antiinfiammatorio, immunitario, metabolico) e sul loro ruolo nella genesi e nella progressione di malattia. Obiettivo principale é lo studio sia di meccanismi cellulari e subcellulari che legano i fattori di rischio ambientali e biologici alla malattia sub-clinica e clinica, sia di nuovi biomarker di rischio e/o di malattia. Enfasi particolare viene data agli studi su GSH, gamma-GT, lipoproteine HDL, insulino resistenza, danno ossidativo al DNA e polimorfismo di geni che controllano la regolazione endotelio-mediata del tono vascolare, quali marker putativi di rischio cardiovascolare. Il nuovo laboratorio di proteomica con tecnologia MALDI TOF è inteso al raggiungimento di tale obiettivo.



Potenziale impiego - per processi produttivi I risultati del progetto sono di interesse sia per l'industria farmaceutica che per quella biomedica nazionale e internazionale. La prima è particolarmente interessata ai meccanismi di malattia, ai risultati a breve e a lungo termine del trattamento medico e chirurgico, alle dimensioni epidemiologiche e all'evoluzione dei processi morbosi oggetto della ricerca afferente alla Commessa. La seconda ha sempre trovato in IFC le competenze e la vocazione per la ricerca applicata e quindi l'ambiente idoneo alla messa a punto e alla verifica sul campo di nuove tecnologie di indagine. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La tipologia delle patologie indagate ed il loro vasto impatto sociale rappresentano di per sé il presupposto per una risposta operativa alla domanda di salute che proviene dal singolo e dalla collettività. L'obiettivo di identificare nuovi biomarcatori e nuovi indici di rischio rientra nell'ottica più generale di esaltare il momento preventivo rispetto a quello curativo nel controllo della salute. Sul piano individuale, la personalizzazione delle cure, basata sulla capacità di identificare i caratteri specifici dell'individuo, rappresenta uno degli obiettivi più ambiziosi della ricerca. Moduli

Modulo: FISIOPATOLOGIA CARDIOPOLMONARE E METABOLICA Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Plasticità e invecchiamento del sistema nervoso Dati generali

Progetto: Neuroscienze: basi molecolari ed applicazioni chimiche Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: ENRICA STRETTOI Temi

Tematiche di ricerca La commessa si articola sui seguenti temi: 1) Meccanismi molecolari, cellulari e integrati della plasticità del Sistema Nervoso Centrale (SNC: Plasticità corticale in vivo ed in vitro; effetti dell'esperienza visiva e dell'arricchimento ambientale; influenza delle connessioni callosali. 2) Meccanismi molecolari, cellulari e integrati del differenziamento e sviluppo del SNC: Biologia cellulare dei fattori di controllo del differenziamento neuronale. Sviluppo della retina. 3) Neurobiologia e prospettive terapeutiche di patologie degenerative del SN visivo (retinite pigmentosa, malattia di Norrie, glaucoma, ambliopia). 4) Organizzazione del sistema visivo dell'uomo: Psicofisica, elettrofisiologia e FRMI. Meccanismi funzionali della percezione dello spazio esterno e del movimento. Riorganizzazione di aree visive in pazienti con lesioni e/o patologie cerebrali . 5 Patologie del SNC su base genetica e non:demenze, malattia di Alzheimer, malattia di Niemann Pick, sindrome di Rett, epilessia, neuropatologie da microdanno vascolare ed ischemia. Studio di modelli animali e cellulari. 6) Epidemiologia delle demenze. Aggiornamento e gestione del registro nazionale.

Stato dell'arte L'identificazione dei meccanismi di controllo del differenziamento, sviluppo e plasticità del Sistema Nervoso Centrale (SNC) e dei processi cellulari alla base di gravi patologie nervose, anche genetiche, costituiscono i temi di questa commessa, che copre argomenti fondamentali delle neuroscienze internazionali. È ormai noto che la plasticità neuronale tipica dello sviluppo può essere ripristinata mediante manipolazione sperimentale dell'ambiente esterno e/o del microambiente neuronale, tipicamente modulabile tramite fattori neurotrofici. Pertanto, la conoscenza dei meccanismi molecolari, cellulari ed integrativi della plasticità neuronale è fondamentale per sviluppare strategie neuroprotettive che possano prevenire o attenuare gli effetti di lesioni del SNC o le conseguenze di condizioni patologiche e dell'invecchiamento. L'approccio caratteristico di questa commessa è orientato in più direzioni: (i)studio dei meccanismi molecolari e cellulari di patologie neuronali su modelli animali e cellulari; (ii) messa a punto di nuove strategie terapeutiche;(iii) approfondimento dell'analisi epidemiologica per identificare fattori di rischio e prevenzione nella popolazione.


Azioni

Attività da svolgere Plasticità, sviluppo e differenziamento neuronale: 1)Verificare il ruolo di fattori trofici quali IgF1 e BDNF sugli effetti di innalzamneto della plasticità dovuti ad arricchimento ambientale. 2)Verificare con esperimenti in vivo di farmacologia, elettrofisiologia e studio comportamentale gli effetti di sostanze che interferiscono con l'acetilazione degli istoni del DNA nel recupero dall'ambliopia causata da deprivazione monoculare. 3) Identificare ulteriori elementi delle vie di signalling intracellulare che i messaggeri lipidici endogeni utilizzano per attivare la crescita neuritica e il differenziamento neuronale. Studiare gli effetti di alterazioni di tali vie nella genesi di patologie del Sistema Nervoso centrale. 4) Confermare il ruolo delle connessioni callosali nei fenomeni di plasticità conseguenti la deprivazione monoculare. 5) Studiare i meccanismi che regolano lo sviluppo del letto vascolare della retina. Evidenziare meccanismi intracellulari di trasporto di molecole della giunzione sinaptica in cellule gangliari retiniche in sviluppo. 6) Proseguire gli studi sull'organizazione del sistema visivo del bambino e dell'uomo, e in particolare a) i movimenti saccadici oculari, b) le modalità di percezione psicofisica del movimento; c) le alterazioni della percezione visiva in soggetti colpiti da condizioni patologiche o traumatiche a carico di centri cerebrali noti. Patologie del Sistema Nervoso Centrale Il secondo modulo continuerà lo studio dei processi neurodegenerativi nell'uomo e in modelli animali. Tra le varie attività, ci proponiamo in particolare di: 1)Testare su mutanti murini (modello di Retinite Pigmentosa) la possibile azione antiapoptotica e protettiva sulla risposta funzionale dei fotorecettori di sostanze inbitorie della sintesi di ceramide. Studiare le alterazioni dei vasi sanguigni e della glia nella retina degli stessi mutanti. 1) caratterizzare ulteriormente il possibile utilizzo della tossina botulinica nel trattamento delle crisi epilettiche; 2) investigare la relazione tra innervazione serotoninergica e dopaminergica nel controllo dell'eccitabilità neuronale e nella suscettibilità alle crisi epilettiche; 3) caratterizzare possibili strategie protettive nel modello murino di sindrome di Rett; 4) definire ulteriormente le cascate molecolari che conducono a deficit di plasticità sinaptica nella malattia di Alzheimer; 5) proseguire gli studi epidemiologici sull'invecchiamento, declino cognitivo, malattia di Alzheimer, e suscettibilità all'ictus.di soggetti umani seguiti sul territorio. Il terzo modulo svolgerà ricerche su un modello cellulare della patologia di Niemann Pick sviluppato dai ricercatori stessi per caratterizzare le alterazioni subcellulari indotte dalla espressione del gene NPC1 in forma mutata (mutazione I1061T), responsabile della malattia. Con l'uso di sonde calcio di nuova generazione saranno esaminate, in neuroni viventi, le alterazioni dell'omeostasi intracellulare del calcio in comparti definiti tra cui, principalmente, reticolo endoplamatico, mitocondri, comparto endo e lisosomale, nucleo. Saranno inoltre analizzate le principali funzioni mitocondriali quali la generazione di specie reattive ossigeno e la capacità di produrre ATP.

Punti critici e azioni da svolgere Da vari anni i punti critici sono più di ordine economico che non scientifico, in quanto la scarsità di mezzi e di risorse umane rendono spesso difficile il conseguimento di risultati nei tempi pronosticati. Molte delle energie dei ricercatori sono impiegate per il reperimento di nuove risorse con conseguente allontanamento dall'attività scientifica diretta e impegno in attività di tipo amministrativo e burocratico. È in atto uno sforzo concreto per formare allievi giovani e moticvati che sostengano l'attività dei laboratori.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I ricercatori afferenti alla commessa e i loro collaboratori coprono globalmente una gamma estesa di competenze che permette l'attuazione di studi multidisciplinari. In particolare, le competenze espresse dai ricercatori di questa commessa coprono i seguenti ambiti: biologia molecolare biologia cellulare (colture cellulari, imaging, transfezioni, gene-gun); biochimica fondamentale (HPLC, western blot, elettroforesi; morfologia (microscopia ottica; elettronica; confocale; immunocitochimica). Elettrofisiologia in vivo e in vitro(registrazioni intra ed extracellulari da slices, tessuti o in vivo; patch clamp; Field potentials; Elettroretinogramma (ERG); Potenziali evocati; elettroencefalogramma; Chirurgia (impianto di micropompe, iniezioni intraoculari). Psicofisica. Genesi ed analisi di stimoli visivi complessi. FRMI Nell'ambito dello studio di modelli animali e cellulari l'Istituto vanta competenze di altissimo livello di elettrofisiologia, imaging e neuroanatomia. Nell'ambito delle ricerche epidemiologiche la commessa coinvolge ricercatori di fama internazionale nella conduzione e nel coordinamento di survey multinazionali.

Strumentazione Biologia Molecolare e Biochimica: PCR, ultracentrifughe, apparecchi per elettroforesi, dispositivi per lettura di gel, HPLC. Biologia cellulare: attrezzatura per colture cellulari (cappe, incubatori, ecc.); microscopio rovesciato, microscopi con camera di incubazione; microscopio confocale, telecamere ecc. Morfologia: criostato,vibratomo,ultramicrotomo,microscopi da dissezione,confocali, microscopio elettronico, telecamere ecc. Chirurgia: microscopi operatori e da dissezione; stereotassico. Elettrofisiologia: puller per elettrodi, amplificatori di vario tipo, microscopi,pacchetti software dedicati alla genesi di stimoli o all'analisi delle risposte, tissue slicers, telecamere ecc. Apparecchiature per registrazione di elettroretinogramma o potenziali evocati visivi. Monitor ad alta definizione per la genesi di stimoli visivi complessi per studi sull'uomo. Comportamento: locali attrezzati per lo studio del comportamento animale, dotati di videocamere, Morris Water maze, labirinti; gabbie per arricchimento ambientale; reticoli per lo studio dell'acuità visiva, della percezione del contrasto ecc. Sistemi fissi e mobili per l'indagine neurologica di soggetti umani.

Tecniche di indagine • Elettrofisiologia in Vivo ed in Vitro, su cellule, tessuti o aree del Sistema Nervoso Centrale, intra ed

extracellulare • Microscopia ottica, confocale ed elettronica • Analisi di immagine • Studi in time-lapse di eventi cellulari • Uso del gene-gun per la visualizzazione di cellule o per lo studio di eventi dinamici • Espressione di proteine fluorescenti in singole cellule per studi su neuroni in vivo ed in vitro • Metodiche di Arricchimento Ambientale • Tecniche di comportamento animale basate su compiti visivi e motori • Elettroretinogramma, Potenziali Evocati Visivi, Psicofisica per lo studio del sistema visivo. • Colture di cellule o di espianti di tessuto nervoso • Impiego di aoarecchiature per indagini neurologiche e comportamentali di soggetti umani senescenti, affetti o no

da demenza.

Tecnologie come sopra


Collaborazioni (partner e committenti) Collaborazione pluriennale con il Laboratorio di Neurobiologia della Scuola Normale Superiore, fisicamente integrato nella sede CNR con condividisione di aspetti culturali e gestionali della ricerca. Collaborazioni con ricercatori di altre sedi dell'IN-CNR e di altri Istituti del CNR. Alcune collaborazioni attive: Università di Firenze, Dipartimento di Psicologia Istituto Scientifico - Ospedale San Raffaele, DIBIT, Milano Università di Pisa, Dipartimento di Scienze Fisiologiche IRCSS Stella Maris (Pisa) Dipartimento di Neuroscienze, Università di Pisa Dipartimento di Scienze e tecnologie biomediche, Università dell'Aquila C. Gargini, Dipartimento di Psichiatria, Neurobiologia, Farmacologia e Biotecnologie, Università di Pisa R. Ghidoni, Laboratorio di Biochimica e Biologia Molecolare, Polo Medico San Paolo,Università di Milano M. Giustetto, Istituto di Anatomia Umana Normale, Università di Torino R. Brambilla, Università Vita e Salute San Raffaele, Milano A. Cattaneo, E.B.R.I., Roma T. Pozzan, Università di Padova ICGEB, Trieste M.I.T. Cambridge, USA. James Fawcett, Center fo Brain Repair, Oxford, UK. A. Quattrone, Centro di Biologia Integrata (CIBIO), Università di Trento Chris von Bartheld, Department of Physiology and Cell Biology, University of Nevada School of Medicine,USA Constance Cepko, Harvard University, Department of Genetics, Boston USA Anand Swaroop, Department of Ophthalmology, University of Michigan, Ann Arbor, USA Emmanuel Pitsinos, Institute of Physical Chemistry, Laboratory of Natural Products Synthesis and Bioorganic Chemistry, NCSR "DEMOKRITOS" University of Athens,Greece Roger Sabbadini, Department of Biology, San Diego State University,USA Lpath Incorporated, California, USA Alcuni Committenti: National Eye Institute, NIH USA; Unione Europea; ASI; MIUR; Institute for Paraplegia; Fondazione Telethon; Associazione Italiana Niemann Pick; IRCSS Stella Maris, American Health Association

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate I ricercatori sono mobilitati per l'acquisizione di ulteriori entrate sfruttando tutti i canali disponibili: Fondazioni italiane e straniere, IRCSS, Comunità Europea, Ministero dell'Università e Ricerca, Ministero della Salute ecc.

Finalità

Obiettivi 1)Studio dei meccanismi che regolano plasticità, lo sviluppo e il differenziamento del SNC. Biologia cellulare del differenziamento neuronale in vivo e vitro; sviluppo del SN visivo in modelli animali. 2)Biologia di condizioni patologiche del SNC visivo:retinite pigmentosa, glaucoma, malattia di Norrie, ambliopia, effetti del danno vascolare corticale (ictus). 3)Meccanismi biologici alla base di patologie nervose (malattia di Alzheimer, sindrome di Rett, epilessia del lobo temporale,malattia di Niemann Pick). 4)Sviluppo di strategie (farmacologiche e/o di manipolazione ambientale) per il trattamento delle suddette patologie con particolare attenzione alle fasi plastiche che precedono i fenomeni degenerativi. 5)Studio multidisciplinare dell'organizzazione e dello sviluppo del sistema visivo dei mammiferi e dell'uomo. 6)Sviluppo di strategie neuroprotettive sugli modelli cellulari e animali. 7)Sviluppo di servizi innovativi per strutture esterne mediante la pianificazione, il monitoraggio e il trattamento telematico di studi epidemiologici sulla demenza, le malattie cerebrovascolari (ictus) e altre patologie croniche.

Risultati attesi nell'anno Si attendono buoni risultati congrui alle tematiche di tutte le linee di ricerca afferenti alla commessa e illustrate nel campo "Attività da svolgere"


Potenziale impiego - per processi produttivi Identificazione di molecole chiave, comuni agli animali e all'uomo, alla base di fenomeni di plasticità, differenziamento, sviluppo e apprendimento; potenziale brevetto nell'impiego di tali molecole per prevenire il decadimento cerebrale e sensoriale associato a varie condizioni patologiche del SNC. Identificazione di sostanze che inibiscono la morte neuronale attive in patologie degenerative della retina e in generale delle cellule nervose. Impiego delle pratiche di arricchimento ambientalee per indurre il rallentamento di sintomi dell'invecchiamento o di malattie neurologiche quali l'Alzheimer Impiego delle tossine botuliniche nel trattamento preventivo dell'epilessia - per risposte a bisogni individuali e collettivi 1) Applicazione clinica di protocolli di manipolazione ambientale che favoriscono la plasticità (arricchimento) per la prevenzione e cura di patologie neurodegenerative umane, tra cui la malattia di Alzheimer. 3) Traslazione dei risultati ottenuti su roditori affetti da degenerazione retinica ereditaria alla Retinite Pigmentosa umana. Identificazione di molecole anti apoptotiche efficaci per prevenire la degenerazione neuronale in questa condizione patologica. 4) Conoscenza approfondita dell'organizzazione e funzionamento del sistema visivo dell'uomo, per il quale la vista è la modalità sensoriale prevalente. 5)Test diagnostici e schemi di valutazione multidimensionale dell'anziano.Valutazione di servizi sanitari per l'anziano.Creazione di network nei settori della salute pubblica. 6) Identificazione di meccanismi cellulari responsabili degli effetti di danni vascolari al Sistema Nervoso Centrale (ictus). 7) Identificazione dei meccanismi cellulari responsabili di fenomeni di plasticità e di differenziamento delle cellule nervose, con possibile applicazione a strategie di riparazione del Sistema Nervoso Centrale. Moduli

Modulo: Plasticità e invecchiamento del sistema nervoso Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Patologie e invecchiamento del Sistema Nervoso Centrale Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Nuovo approccio terapeutico per la malattia di Niemann Pick Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Neuropatologie: dall’ approccio molecolare alla epidemiologia delle demenze Dati generali

Progetto: Neuroscienze: basi molecolari ed applicazioni chimiche Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: MATTEO CALEO Temi

Tematiche di ricerca Questa commessa raggruppa le ricerche dell' Istituto di Neuroscienze più strettamente collegate alle patologie neurodegenerative (in particolare, ictus, demenze, malattia di Alzheimer, epilessia, neuropatologie associate a microdanno vascolare ed ischemia, e glaucoma ed alcune patologie genetiche neurodegenerative). La ricerca spazia dallo studio dei meccanismi molecolari e cellulari dei processi neurodegenerativi, alla individuazione di cause, correlazioni e nuove strategie di intervento nelle patologie umane.

Stato dell'arte L'incidenza delle patologie neurodegenerative è in considerevole aumento, anche a causa dell'invecchiare progressivo della popolazione. Nella maggior parte delle patologie non si conoscono i meccanismi che causano la degenerazione delle cellule nervose, il che limita considerevolmente le possibilità di intervento. Attraverso lo studio dei meccanismi molecolari e cellulari della neurodegenerazione in modelli sperimentali di specifiche patologie e l'analisi epidemiologica nella popolazione è possibile individuare nuove strategie di intervento. Questo è l'obiettivo generale di questa commessa di ricerca. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine La commessa raggruppa ricercatori con competenze e background culturali diversi (chimici, biologi, medici, epidemiologi, fisici), che si integrano a vantaggio dell'efficienza dell'insieme. Nell'ambito dello studio di modelli animali e cellulari l' Istituto vanta competenze di altissimo livello di elettrofisiologia, imaging e neuroanatomia. Nell' ambito delle ricerche epidemiologiche la commessa coinvolge ricercatori di fama internazionale nella conduzione e nel coordinamento di survey multinazionali.

Strumentazione 1) Studi su modelli cellulari o animali Laboratorio di istologia, laboratorio di microscopio confocale e due fotoni, laboratorio di elettroencefalografia. Laboratori di elettrofisiologia in vivo ed in vitro. Laboratorio di microscopia in time lapse. Bioreattori creati ad hoc per l' applicazione controllata di stimoli pressori in tessuti viventi. Laboratori per il monitoraggio di risposte comportamentali 2) Studi clinici ed epidemiologici su pazienti Laboratorio informatico per la gestione e l'analisi di questionari epidemiologici . Banche dati informatizzate e software per l'analisi e l'elaborazione statistica.

Tecniche di indagine In accordo con le competenze multidisciplinari coinvolte nella commessa, le tecniche utilizzate sono diversificate. Esse spaziano dalla biologia molecolare e cellulare alla biochimica, elettrofisiologia, ed imaging per gli studi su modelli cellulari ed animali, a metodologie avanzate per l' epidemiologia clinica e il coordinamento di survey multinazionali nel caso degli studi sulla epidemiologia delle patologie neurali.


Tecnologie Studi su modelli cellulari o animali Neuroimaging con microscopia confocale e due fotoni. Costrutti per la localizzazione subcellualre di proteine teraget. Misure di time lapse e di recupero della fluorescenza dopo fotobleaching per l' indagine di dinamiche molecolari. Microscopia in time lapse. Uso di appositi bioreattori per l' applicazione controllata di stimoli pressori in tessuti viventi. Elettrofisiologia in vivo ed in vitro.Test comportamentali. Neuroanatomia. Studi clinici ed epidemiologici su pazienti Questionari epidemiologici sia su materiale cartaceo che informatizzati. Banche dati informatizzate e software per l'analisi e l'elaborazione statistica.

Collaborazioni (partner e committenti) Principali collaborazioni Nazionali Università di Padova Università dell' Aquila Università di Pisa Scuola Normale Superiore Fondazione Bietti, IRCS Università di Milano Università di Ferrara Università di Firenze Università di Firenze, Dip. Scienze Neurologiche e Psichiatriche Istituto Superiore di Sanità Regione Toscana Regione Emilia Romagna Agenzia Regionale di Sanità Emilia Romagna Agenzia Regionale di Sanità Toscana Ministero della Salute Bocconi. Centro di Ricerche sulla Gestione dell'Assistenza Sanitaria e Sociale (CERGAS) dell'Università Italian Stroke Forum Principali collaborazioni Internazionali NIH Bethesda University of Southampton University of Nevada NIDDK, National Institutes of Health, Bethesda, MD 20892, USA. Departments of Surgery, Pathology, and Neurology, College of Physicians and Surgeons and Department of Pathology & Taub Institute, Columbia University, New York 10032, USA; Washigton University University of Cambridge Center fur neuroscience, Zurich; University of California , Davis and Santa Barbara; European Brain Research Institute (EBRI). Unione Europea, Dept of Public Health Sciences, King's College London

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate

Finalità

Obiettivi a) Disegnare nuove strategie neuroprotettive in specifiche patologie neurodegenerative; b) aumentate le conoscenze dei meccanismi biologici alla base delle neurodegenerazioni; c) fornire servizi innovativi a strutture esterne nei seguenti settori: - Pianificazione e monitoraggio di studi epidemiologici sulla demenza, le malattie cerebrovascolari (ictus) e altre patologie croniche debilitanti ‘ Schemi di valutazione multidimensionale dell'anziano - Analisi statistiche di dati clinici ed epidemiologici - Valutazione di servizi sanitari per l'anziano - Creazione di network nei settori della salute pubblica - organizzazione scientifica e gestionale di corsi di formazione



Potenziale impiego - per processi produttivi -Disegno e brevetto di nuove strategie neuroprotettive di interesse per l'industria farmacologica. -Nuovi farmaci neuroprotettivi -Dati sulla qualità dell'assistenza fornita al paziente con malattia cerebrovascolare in fase acuta e della aderenza dei trattamenti alle linee guida nazionali ed internazionali. Questi risultati sono di fondamentale importanza per l'intervento farmacologico e terapeutico in senso lato, efficaci solo se somministrati in fase iniziale di malattia. Si prevede pertanto l'utilizzo dei dati da parte dell'industria farmaceutica. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Test diagnostici e schemi di valutazione multidimensionale dell'anziano Valutazione di servizi sanitari per l'anziano Creazione di network nei settori della salute pubblica Corsi di formazione. Dati sulla qualità dell'assistenza fornita al paziente con malattia cerebrovascolare in fase acuta e della aderenza dei trattamenti alle linee guida nazionali ed internazionali. Moduli

Modulo: Neuropatologie: dall'approccio molecolare alla epidemiologia delle demenze

Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


MEDICINA TRASLAZIONALE Dati generali

Progetto: Medicina molecolare Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: GIUSEPPE RAINALDI Temi

Tematiche di ricerca Individuazione di vie cellulari comuni in fisiopatologia cardiovascolare ed oncologica. Valutazione di espressione genica con stress da farmaci "classici" (già sviluppati o in fase di sviluppo) e farmaci "genetici" (DNA aptameri, RNA decoys, ribozimi, short interfering RNA e microRNA) somministrati mediante trasfezione non virale e virale alle cellule o come molecole sintetiche o clonate in vettori d'espressione plasmidici. Applicazione dell'analisi proteomica "high throughouput"alla medicina molecolare, al target discovery e al marker discovery. Sviluppo computazionale di biomolecole, costruzione di biosensori molecolari diagnostici e di vettori d'espressione terapeutici. Sviluppo di modelli animali di ristenosi coronarica e di scompenso cardiaco, come pure modelli di tumori specifici per la valutazione in vivo dei meccanismi individuati e di eventuali interventi terapeutici, utilizzando anche tecniche di imaging come la PET e MRI.

Stato dell'arte Disponibilità di tecnologie postgenomiche per l'individuazione di target molecolari per la caratterizzazione della senescenza, dell'angiogenesi e dell'attivazione di cellule muscolari lisce. Identificazione di circuiti regolatori microRNA/fattori di trascrizione. Somministrazione di acidi nucleici, vettori di espressione per protocolli di terapia genica mediante l'uso di metodi non virali e virali. Metodi innovativi per la selezione in vitro di aptameri. Realizzazione di biorecettori di marker dell'infiammazione; Messa a punto dei metodi di analisi per proteomica. Attivazione di metodi bioinformatici di archiviazione di dati. Cinetiche in vitro di veicolazione e rilascio di farmaci specifici da matrici. Caratterizzazione in vitro di retinoblastoma e osteosarcoma farmaco resistente. Trattamento con sostanze demetilanti e chemioterapici. Modello di ristenosi nella specie suina da impianto di stent in arteria coronaria; modello di scompenso da pacing nella stessa specie. Modelli ex vivo ed in vivo per lo studio dei meccanismi di controllo del tono vasomotore microcircolatorio coronarico. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine • Competenze di genetica, biochimica, biologia molecolare, chimica e tecniche farmaceutiche, biologia e medicina

sperimentale, informatica. • Progettazione e validazione di dispositivi biomedicali. • Sperimentazione animale.


Strumentazione • BIOMEK NXP, Laboratory Automation Workstation (Beckman Coulter). • ULTIMATE 3000, micro/nano HPLC (Dionex). • PROBOT (Dionex). Generatore di matrici per analisi di spettrometria di massa MALDI • LAMBDA 11 (Perkin Elmer). Spettrofotometro UV-VIS • ETTAN IPG-phor (Amersham), apparato per "isoelectrofocusing" di proteine • PROTEAN PLUS DODECAcell (Bio Rad), Vasca di elettroforesi multipla • 4800 MALDI TOF/TOF analyzer (Applied Biosystems). Spettrometro di massa • COMPUTER dedicati alla proteomica (image analysis) e bioinformatica • 3400 DNA Synthesizer (Applied Biosystems), sintetizzatore di oligonucleotidi • Series 200 HPLC (Perkin Elmer), cromatografo liquido • Series 410bio HPLC preparative (Perikin Elmer), cromatografo liquido • TriCarb 2000 (Packard), ²-counter • FACSCalibur (Becton Dickinson), citofluorimetro • Immunofluorescenza • Microscopia ottica ed elettronica • Tomografia ad emissione di positroni • Risonanza Magnetica • Laboratorio di Chirurgia sperimentale (UCCS-Pi, S.Piero a Grado) • Centro di Biomedicina Sperimentale (Area CNR Pi)

Tecniche di indagine • Tecniche biochimiche, immunologiche e di biologia molecolare • Proteomica: Isolamento e trattamento dei campioni. Immagazzinamento dei dati, interrogazione delle banche di

dati, analisi interpretativa dei risultati, bio-statistica. • Biorecettori e farmaci gene-specifici: Progettazione e sintesi chimica automatica di oligonucleotidi. Selezione in

vitro di aptameri a partire da collezioni combinatorie di oligonucleotidi sintetici. • Rilascio terapeutico: realizzazione di film di matrici polimeriche bioerodibili per la conservazione ed il rilascio di

farmaci gene-specifici. Cinetiche di rilascio "in vitro" con farmaci radiomarcati. Prove di "delivery" su cellule in coltura (citofluorimetria a flusso). Prove di efficacia farmacologica su colture di cellule e espianti di coronaria.

• Elaborazioni chimico-fisiche; modellazione • Tecniche di imaging (radiologia, medicina nucleare, risonanza magnetica) • Tecniche istologiche ed immunoistochimiche • Tecniche chirurgiche e sperimentali in modelli animali.

Tecnologie • Colture cellulari, espianti di organi e tessuti. • Tecniche di delivery di acidi nucleici e proteine. • Interazione proteina-proteina (doppio ibrido). • RNA interference. • Modelli animali di ristenosi coronarica, infarto miocardico, scompenso cardiaco. • Modelli basati su cuore isolato. • Chirurgia fetale. • Modelli animali di tumori specifici. • Tecniche osservazionali su gruppi di pazienti. • Caratterizzazione di sieri in coorti definite.


Collaborazioni (partner e committenti) ISTI-cnr, Pisa IPCF-cnr, Pisa Dip. ingegneria informatica, Univ. di Pisa; Scuola Normale superiore, Pisa Scuola S.Anna, Pisa BigBang Solutions, Pisa Glaxo, Verona INVATEC Srl, Brescia Chiesi Farmaceutici, Parma Abiogen Pharma, Pisa Agrisan Srl, Pistoia CCS Aosta, Aosta Azienda Muratori, Brescia Micosan SRL, Torino Bayerschering Pharma, Italia Organon, Schering-plough, Italia Istituto Toscano Tumori, Firenze

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si prevede di applicare al bando Telethon per il 2009 e ai progetti di ricerca di base del ministero dell'università e della ricerca per il 2009.

Finalità

Obiettivi • Produzione di AAV in lievito Saccharomyces cerevisiae come sistema genetico per determinare quali funzioni

geniche sono necessarie per ottimizzare la replicazione di AAV. • Identificazione di mutazioni geniche BRCA1 e BRCA2 in tumori del seno. • Identificazione dei mutanti di Azzurrina capaci di stabilizzare e/o attivare la p53. • Realizzare di videogames molecolari. • Individuazione di sostanze chimiche naturali per la protezione da malattie cardiovascolari e neurodegenerative. • Studio di metabolismo e tossicità di farmaci specifici. • Valutazione del sistema neuroendocrino nella sclerosi multipla. • Studio su estrogeni circolanti e espressione cardiaca di BNP. • Verificare che la densità recettoriale cardiaca di NPR-A e/o B, determinante l'attività cardiaca di BNP, è

influenzata dai livelli circolanti di estrogeni. • Verifica su modelli animali sull'effetto biologico e/o terapeutico di agenti specifici.


Potenziale impiego - per processi produttivi Produzione di vettori AAV per terapia genica mediante uso del lievito: ricerca brevettuale. Aziende Agroalimentari e Farmaceutiche. Industria biomedicale. Protocolli di terapia genica. Applicazione clinica dei risultai ottenuti. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Moduli

Modulo: MEDICINA TRASLAZIONALE Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


TECNOLOGIE BIOMEDICHE Dati generali

Progetto: Innovazione-integrazione tecnologica in medicina Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: ANTONIO BENASSI Temi

Tematiche di ricerca Imaging funzionale e medicina nucleare, imaging funzionale e molecolare in risonanza magnetica, integrazione ed elaborazione dati per imaging multimodale, nuove tecnologie ultrasoniche, imaging parametrico in MSCT cardiaca. Sviluppo di sistemi Computer Aided Diagnosis in diagnostica per immagini. Sviluppo di strumentazione dedicata e telemedicina: telemedicina intra/extraospedaliera, strumentazione per diagnostica avanzata e terapia, Technology Assessment. Sviluppo e valutazione sperimentale di materiali e tecnologie terapeutiche innovative: nuove tecnologie per interventistica cardiovascolare e cardiochirurgia, nuovi biomateriali per applicazioni cardiovascolari, Tecnologie biomediche avanzate: sensori e biosensori, materiali e dispositivi per ingegneria tessutale. ICT in sanità e per la gestione integrata ospedaliera: infrastrutture di rete, integrazione e verticalizzazione dei flussi di dati clinici. Intelligenza artificiale e calcolo distribuito per la modellistica ed il data mining. Fisica cardiovascolare: studi sulla variabilità di parametri biologici e serie derivate, modelli e metodi per studi di elettrofisiologia, metodi e tecniche predittive di eventi fisiopatologici.

Stato dell'arte L'evoluzione delle metodologie di imaging sta consentendo il nascere di un vero e proprio "imaging molecolare". Le prospettive, e in alcuni casi già le applicazioni di questo approccio sono potenzialmente rilevanti nella diagnostica quantitativa e prognostica e nell'aprire nuove strade allo sviluppo di farmaci (Human Microdosing). La modellistica ad agenti e la statistica Bayesiana stanno assumendo un ruolo decisivo nell'analisi integrale delle "omiche". Assenza e/o incompletezza di sistemi informatizzati per la prevenzione delle malattie cardiovascolari. Assenza di criteri standardizzati per la valutazione delle condizioni psico-fisiche di professionisti, atleti, turisti nelle attività subacquee. I sistemi informativi sanitari sono inadeguati quanto a normative sulla sicurezza e privacy dei dati e difficilmente consentono interoperabilità per la loro integrazione nei contesti nazionali ed internazionali. Nell'ambito della ricerca sulla fisiopatologia del sistema cardiovascolare la crescente disponibilità di segnali biologici spesso non invasivi consente un'analisi sempre più dettagliata dei fenomeni e della loro dinamica. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Elettronica, elettromagnetismo, informatica, bioingegneria, matematica, fisica, fisiologia, chimica. Esperienza pluriennale nello sviluppo di sensori per applicazioni biomediche e nel settore dei materiali speciali e biomateriali Progettazione di dispositivi RM compatibili per studi funzionali sul cervello. Spettroscopia nel Vicino Infrarosso. Interazione tra i campi magnetici RM e i tessuti biologici. Metodi statistici. Metodi per la risoluzione del problema Elettromagnetico inverso, strumenti per l'analisi di segnali elettroencefalografici. Ingegneria Clinica. Protesi vascolari di piccolo diametro (4-5mm). Metodologie per l'isolamento e semina di cellule autologhe su "scaffolds" polimerici nano-strutturati. Intelligenza Artificiale e Biologia dei Sistemi. Image e signal processing, reti neurali, RM functional imaging, Progettazione e sviluppo di apparecchiature DSP. Fisica cardiovascolare. Collaborazione con Centro Int. Biocibernetica e Ingegneria Biomedica di Varsavia, su simulazione numerica. Modelli del sistema Cardiovascolare, vedi libro pubblicato nel 2007 dal CNR "Modelling Cardiovascular System - Mechanical Circulatory Support" edito da Claudio De Lazzari, 2007.


Strumentazione Strumentazione di Laboratorio di elettrofisiologia, laboratorio di Sperimentazione Animale, strumentazione di acquisizione segnali ed immagini, software di elaborazione segnali ed immagini, sistemi di calcolo, laboratorio di elettronica, laboratori di chimica, ciclotrone, infrastruttura di rete e servizi, laboratorio materiali e sensori. Spray-machine per la realizzazione di devices per applicazioni biomedicali; camera bianca (Classe 50); apparati per la sintesi ed il trattamento di biomateriali sintetici Sistemi micromeccanici. Dispositivi ottici (spettrofotometro. Microscopi, ecc.) ed optoelettronici. Strumentazione per coltura cellulare. Laboratori MN, RM (1.5T e 3T), PET, RX, CT-PET Software per la progettazione elettronica/meccanica (CAD/CAE). Elettroencefalografo. Sistemi di archiviazione dati, segnali ed immagini.

Tecniche di indagine Modelli e metodi di trattamento dei segnali, simulazioni, sperimentazione sull'uomo e sull'animale. Competenze di biofisica, bioingegneria, informatica, matematica, statistica, fisiopatologia. Metodi di analisi, fusione e interpretazione dati.

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) 1) Ministeri -Ministero della Salute -Ministero Attività Produttive 2) Regioni -Regione Toscana -Regione Puglia -Regione Sardegna 3) Università e centri di ricerca - Istituto Superiore di Sanità - Università di Pisa - Università di Parma - Harvard-MIT, Laboratory Computational Physiology, (USA) - Scuola Superiore S. Anna Pisa - Università di Firenze - Università di Siena - Johns Hopkins University di Baltimora (USA) - Centro Interdipartimentale di Ricerca "E. Piaggio", Pisa. - Politecnico di Milano - Università di Dublino - CEA/LETI francese - Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique di Neuchatel - Institute of Computer Science, FORTH, Greece - Istituto Mario Negri di Bergamo, - Università di Liverpool (UK) - Roslin Cells (UK), - Simula Research Laboratory (NO), - Istituto Dermopatico dell'Immacolata, Roma 4) Industrie - Aurelia Microelettronica (gruppo CAEN S.P.A; Viareggio) - ESAOTE sede di Firenze e di Genova - Bracco Imaging - General Electric - Formula Medicine, Viareggio - CAEN S.p.a. Viareggio - SIAD Bergamo - Remco Italia - Free Style Sharm - Dive System Follonica - Kedrion S.p.A, - Tecnobiomedica S.p.a. Pomezia, Roma.


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Partecipazione alle iniziative "ESFRI, the European Strategy Forum on Research Infrastructures" per le infrastrutture europee in particolare per le Biobanche (BBMRI) e la Bioinformatica (ELIXIR). Partecipazione a bandi Comunali, Regionali e Nazionali e di fondazioni private (eg. CARIPLO)

Finalità

Obiettivi Valutazione dell'accumulo di Fe cardiaco nelle talassemie e delle funzioni cerebrali superiori con RM. Fusione di immagini multimodali. Studio della perfusione miocardica in MSCT. Sistemi di ausilio alla diagnostica in pneumologia. Miglioramento della erogazione di gas terapeutici per via inalatoria. Sviluppo di strumentazione per il monitoraggio fisiologico in medicina subacquea. Dispositivi per valutazione della funzione endoteliale in sede clinica. Valutazione di nuove tecnologie interventistiche e di protesizzazione cardiovascolare. Carta del rischio cardiovascolare per la popolazione della Regione Toscana. Linee guida per la medicina subacquea. Migliorare la gestione, diagnosi e cura del paziente in ambiente intra ed extraospedaliero. Fornire supporto alla ricerca clinica per la classificazione e caratterizzazione delle patologie e per l'identificazione dei protocolli diagnostico-terapeutici. Offrire una infrastruttura di reti e servizi informatici a garanzia della sicurezza e privacy dei dati. Approfondire le conoscenze nel campo della fisiopatologia dei sistemi cardiopolmonare ed endocrinometabolico. Diffondere soluzioni open-source per la sanità e la ricerca


Potenziale impiego - per processi produttivi - per processi produttivi Software per sanità elettronica, strumentazione medica. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Miglioramento dei processi di prevenzione, diagnosi e cura. Realizzazione di carte per il rischio cardiovascolare più attinenti alla popolazione toscana. Creazione di un archivio di dati per la medicina subacquee per ricerche epidemiologiche Miglioramento delle conoscenze mediche. - per risposte a bisogni individuali e collettivi Le tecnologie biomediche hanno un vasto impatto sociale nel trattamento e cura delle malattie cardiopolmonari sia per l'individuazione di nuove metodologie di indagine e personalizzazione delle cure del paziente. Moduli

Modulo: TECNOLOGIE BIOMEDICHE Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Tecniche innovative di imaging neuronale in vivo ed in vitro Dati generali

Progetto: Innovazione-integrazione tecnologica in medicina Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: GIAN MICHELE RATTO Temi

Tematiche di ricerca La tematica di ricerca è riassumibile in due linee: 1) svilippo di nuove tecniche e strumenti per l'imaging ottico 2) applicazione dello imaging ottico funzionale nell'ambito di diversi esperimenti di biologia cellulare e neurobiologia; 1.a) Completamento dello sviluppo del microscopio 2-fotoni con moduli per la misura della fluorescenza da campioni spessi (corteccia cerebrale e nervi sensoriali e motori in vivo, miocardio fetale). 1.b) Sviluppo di software per la ricostruzione e misura tridimensionale 2.a) Studi di imaging cellulare in vivo applicati a modelli di sviluppo e patologie retiniche 2.b) Studio del metabolismo dei sfingolipidi e loro azione sull'omeostasi intracellulare del calcio in modelli neuronali. 2.c) Studio della dinamica molecolare e trasduzione della via di ERK1/2 mediante sonde fluorescenti e misure di recupero dal fotospegnimento. 2.d) Studio della fisiologia ed anatomia della retina affetta da degenerazione ereditaria dei fotorecettori tramite sonde fluorescenti inserite mediante gene gun 2.e) Studio della plasticità strutturale della corteccia cerebrale mediante microscopia a 2 fotoni in vivo ed in fettine.

Stato dell'arte In Italia la ricerca ed applicazione di tecniche per la microscopia avanzata è piuttosto arretrata. Per esempio, vi sono solo 4 microscopi confocali 2-fotoni operanti in Italia. Al contrario, all'estero il settore è in rapida espansione ed il numero di pubblicazioni che utilizzano microscopi 2-fotoni è in crescita esponenziale. In questo progetto svilupperemo dispositivi per la microscopia avanzata ad elevato contenuto tecnologico che non sono disponibili in ambito biomedicale nel nostro paese. La commessa servirà come centro di aggregazione per numerosi progetti di ricerca avanzata attivi nell'Istituto. Vanno menzionati gli studi sulla fisiologia e anatomia della retina in condizioni normale e patologica; studi sulla azione fisiologica degli sfingolipidi nei neuroni, studi di trasduzione del segnale mediante sonde fluorescenti; analisi della plasticità morfologica della corteccia cerebrale in vivo. Azioni

Attività da svolgere commessa completata

Punti critici e azioni da svolgere commessa completata


Strumentazione


Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Possono avvenire a due livelli. Inizialmente le collaborazioni sono possibili, ed in parte già in atto, tra diversi gruppi dell'Istituto di Neuroscienze su temi affini a queste ricerche. Èauspicabile che la linea coinvolga altri Istituti afferenti


al Dipartimento: effettivamente, in passato ci sono state già fruttuose collaborazioni con l'Istituto di Fisiologia Clinica. L'istituzione del Dipartimento dovrebbe ulteriormente favorire lo scambio di tecniche e idee tra diversi laboratori. Inoltre vi sono collaborazioni scientifiche in atto con molti laboratori italiani e stranieri: Università Scienza e Vita, San Raffele, Milano. Center for Brain Repair, Cambridge, UK. Dulbecco Telethon Institute.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate commessa completata

Finalità

Obiettivi Costruzione di un polo per le microscopie avanzate nell'ambito dell'area di ricerca di Pisa. Sviluppo e disseminazione di tecniche innovative per le neuroscienze e la biologia cellulare in vitro ed in vivo.

Risultati attesi nell'anno commessa completata

Potenziale impiego - per processi produttivi - per risposte a bisogni individuali e collettivi Ricerca di base. Previsti avanzamenti per la comprensione dei meccanismi molecolari di segnalazione responsabili per differenziamento, proliferazione ed apoptosi. Meccanismi della degenerazione retinica. Disponibilità per la comunità scientifica di strumenti avanzati per l'imaging Moduli

Modulo: Tecniche innovative di imaging neuronale in vivo ed in vitro Istituto esecutore: Istituto di neuroscienze Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Epidemiologia e Ricerca sui Servizi Sanitari Dati generali

Progetto: Epidemiologia e ricerca sui servizi sanitari Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: FABIO MARIANI Temi

Tematiche di ricerca Epidemiologia clinica e registri di patologia: Cardiopatia Ischemica, malattie congenite e rare, mm.respiratorie, insulinoresistenza, registri di procedure avanzate in oncologia. Epidemiologia sociale: dipendenze e sostanze di abuso, disagio giovanile, prevenzione universale e specifica. Epidemiologia ambientale: xenobiotici, rifiuti tossici e bonifiche, impianti a rischio e salute, campi magnetici ambientali, OGM. Ricerca sui Servizi Sanitari: gestione integrata intra/extraospedaliera, controlli di qualità, valutazione dei servizi, software e sistemi informativi gestionali. Metodi epidemiologici, biostatistici e informatici: messa a punto di indicatori per il nuovo sistema informativo sanitario NSIS, data mining per la sanità, analisi bayesiana applicata ai sistemi di indicatori epidemiologici di prevalenza ed incidenza, all'analisi dei "cluster" e al "disease mapping".

Stato dell'arte Il moltiplicarsi di nuove procedure diagnostiche e opzioni terapeutiche rende criticamente importante lo sviluppo e la gestione di basi di dati clinici che consentano di valutare mediante studi adeguati la effettiva rilevanza dell'innovazione. Parallelamente, la crescente rilevanza dei fattori biologici individuali ed ambientali, sociali e materiali, come determinanti di salute, disagio sociale, disadattamento e vere e proprie patologie, rende indispensabile che l'attività normativa sanitaria e di sostegno sociale delle autorità regionali e nazionali sia supportata da evidenze epidemiologiche adeguate. La crescente complessità ed i costi del servizio sanitario rendono necessaria una gestione razionale delle procedure che richiede anzitutto un migliore raccordo tra medicina territoriale e medicina ospedaliera e l'attivazione di metodi di valutazione di qualità dei processi e prodotti in causa. La quantità di dati da validare e trasformare in informazioni di semplice ed immediata lettura per le azioni di governo necessita dello sviluppo di adeguati strumenti di analisi satistico-epidemiologica da rendere disponibile ai responsabili delle decisioni operative. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Competenze: gestionali di progetti di ricerca, gestionali di strutture sanitarie, biologiche, mediche, epidemiologiche, statistiche, psicologiche, sociologiche, demografiche, antropologiche, matematiche, fisiche, chimiche, informatiche, di economia sanitaria, amministrative e giuridiche.

Strumentazione Strumentazione: ambulatori e strutture di ricovero e cura, dispositivi e impianti diagnostici strumentali complessi, reti protette di sistemi informatici di comunicazione, archiviazione e consultazione, logistica di supporto (mezzi e attrezzature) alle strutture tecniche operative nell'area di ricerca e sul territorio (per la conduzione delle indagini, la formazione, la comunicazione verso l'estero, ecc.).

Tecniche di indagine Tecniche d'indagine: registri di casi, studi clinici controllati, studi sulla popolazione generale e su popolazioni specifiche, monitoraggio e sorveglianza epidemiologica, ricercazione di prevenzione su casi specifici e su popolazioni, tecniche OLAP (On Line Analytic Processing), DM (Data Mining) DW (Data Warehousing) e ASR (Analytic Standard Report) sui "repository".

Tecnologie Tecnologie: Diagnostica per immagini, Biomarcatori per il monitoraggio ambientale e umano, Elastosonografia e RVS (Real-time Virtual Sonography), applicazioni informatiche specifiche, sviluppo di interfacce di facile utilizzo per l'acquisizione, la trasmissione protetta, la lettura e l'elaborazione dei dati e delle informazioni.


Collaborazioni (partner e committenti) Cardiovascular Disease Programme; WHO, Center for Int.Clearinghouse Birth Defects Monitoring WHO, American Thoracic Society US, Cochrane Collaboration UK, EACTS Congenital DB, Eur Ass Cardio Thoracic Surgery EU, European Respiratory Society UE, Commission Swedish Council on Alcohol and Other Drugs EU, Pompidou group EU Council, EMCDDA European Monitoring Centre Drugs and Drug Addiction EU, Presidenza del Consiglio dei Ministri, Industrie biomediche., Dipartimento Innovazione Tecnologica, Ministero del lavoro, Ministero della solidarietà sociale, Ministero della Salute, Ministero dell'Ambiente d tutela del territorio, Amministrazioni delle Aziende Sanitarie di Sondrio, Milano città, Milano2, Milano3, Monza, Massa Carrara, Pisa, Empoli, Firenze e con le Regioni Veneto, Liguria, Abruzzo e Sicilia.CNR-IEIIT Sezione di Milano.Data Power Inc., New Jersey, USA.Istituto Nazionale Neurologico "Carlo Besta", Milano.Università di Milano Bicocca.Politecnico di Milano.Dipartimento Medicina Clinica e Sperimentale, Università di Padova.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Le iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate consisteranno principalmente nell'organizzazione e nella gestione di corsi di formazione/aggiornamento sul tema della biostatistica e dell'epidemiologia clinica del rischio cardio-renale. Un aumento significativo delle entrate è anche previsto dall'incremento della quota annua che la Regione Calabria mette a disposizione della nostra UO. La commessa parteciperà inoltre al 7th Framework Programme (FP7).

Finalità

Obiettivi Supportare sulla base di studi clinici e di studi su popolazioni specifiche e generali i processi di valutazione dei metodi di diagnosi e cura, dell'intervento pubblico in materia ambientale e socio-sanitaria, e nell'organizzazione dei servizi sanitari. Contribuire all'innovazione tecnologica e strumentale nei processi di gestione clinica dei soggetti e nella gestione complessiva delle strutture cliniche di diagnosi e cura e di tipo socio-assistenziale. Sviluppare l'attività di monitoraggio epidemiologico e di sorveglianza ai fini della prevenzione di particolari situazioni di rischio sia individuale che collettivo. Sviluppare la metodologia epidemiologica, statistica ed informatica nel settore specifico di applicazione. Sviluppare le competenze attraverso la formazione di nuovi giovani ricercatori ai fini del potenziamento di strutture operative di ricerca.


Potenziale impiego - per processi produttivi I risultati di studi su popolazioni, l'analisi di dati di sopravvivenza in presenza di fattori concomitanti e in particolare su coorti ben selezione, sono fondamentali per attivare le politiche di settore a livello regionale e nazionale, per indirizzare lo sviluppo di nuovi farmaci e markers diagnostici e per il monitoraggio di prove cliniche, a fini etici ed economici. Nel settore ambientale, tali risultanze sono ovviamente fondamentali per la scelta di siti per insediamenti produttivi. I risultati degli studi metodologici possono portare allo sviluppo di nuovi metodi di diagnosi e monitoraggio dello stato psicofisiologico e alla realizzazione di applicazioni software specifiche nel settore del data mining socio-sanitario. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I risultati degli studi clinici sono fondamentali per orientare il processo di diagnosi e cura a livello del singolo paziente. I risultati di tali studi contribuiscono alla costituzione di nuove conoscenze diagnostiche, terapeutiche e riabilitative. Gli studi su popolazione e gli studi di monitoraggio e sorveglianza epidemiologica forniscono mappe sempre più precise della distribuzione spazio-temporale dei fenomeni studiati e sull'evoluzione dei soggetti all'interno dei percorsi diagnostici, terapeutici e riabilitativi.Le basi di dati,le informazioni, gli indicatori di tipo statistico epidemiologico le analsi strutturate e i rapporti di sintesi ai vari livelli di definizione territoriale sono diventati strumenti di utilizzo corrente ai fini della definizione delle politiche di intervento. Moduli

Modulo: Metodi statistici per problemi biomedici Istituto esecutore: Istituto di matematica applicata e tecnologie informatiche Luogo di svolgimento attività: Sede di Milano


Valutazione di Salute Individuale e di Popolazione e Ricerca sui Servizi Sanitari Dati generali

Progetto: Epidemiologia e ricerca sui servizi sanitari Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Medicina Responsabile indicato: FABIO MARIANI Temi

Tematiche di ricerca Epidemiologia clinica e registri di patologia: Cardiopatia Ischemica, malattie congenite e rare, mm.respiratorie, insulinoresistenza, registri di procedure avanzate in oncologia. Epidemiologia sociale: dipendenze e sostanze di abuso, disagio giovanile, prevenzione universale e specifica. Epidemiologia ambientale: xenobiotici, rifiuti tossici e bonifiche, campi magnetici ambientali, OGM. Ricerca sui Servizi Sanitari: gestione integrata intra/extraospedaliera, controlli di qualità, valutazione dei servizi, software e sistemi informativi gestionali. Metodi epidemiologici, biostatistici e informatici: messa a punto di indicatori per il nuovo sistema informativo sanitario NSIS, data minino per la sanità, analisi bayesiana applicata ai sistemi di indicatori epidemiologici di prevalenza ed incidenza, all'analisi dei cluster e al disease mapping.

Stato dell'arte Il moltiplicarsi di nuove procedure diagnostiche e opzioni terapeutiche rende criticamente importante lo sviluppo e la gestione di basi di dati clinici che consentano di valutare mediante studi adeguati la effettiva rilevanza dell'innovazione. Parallelamente, la crescente rilevanza dei fattori biologici individuali ed ambientali, sociali e materiali, come determinanti di salute, disagio sociale, disadattamento e vere e proprie patologie, rende indispensabile che l'attività normativa sanitaria e di sostegno sociale delle autorità regionali e nazionali sia supportata da evidenze epidemiologiche adeguate. La crescente complessità ed i costi del servizio sanitario rendono necessaria una gestione razionale delle procedure che richiede anzitutto un migliore raccordo tra medicina territoriale e medicina ospedaliera e l'attivazione di metodi di valutazione di qualità dei processi e prodotti in causa. La quantità di dati da validare e trasformare come informazioni di semplice ed immediata lettura per le azioni di governo necessita dello sviluppo di adeguati strumenti di analisi satistico-epidemiologica da rendere disponibile ai responsabili delle decisioni operative. Azioni



Competenze, tecnologie e tecniche di indagine - Competenze: gestionali di progetti di ricerca, gestionali di strutture sanitarie, biologiche, mediche, epidemiologiche, statistiche, psicologiche, sociologiche, demografiche, antropologiche, matematiche, fisiche, chimiche, informatiche, di economia sanitaria, amministrative e giuridiche.

Strumentazione - Strumentazione: ambulatori e strutture di ricovero e cura, dispositivi e impianti diagnostici strumentali complessi, reti protette di sistemi informatici di comunicazione, archiviazione e consultazione, logistica di supporto (mezzi e attrezzature) alle strutture tecniche operative nell'area di ricerca e sul territorio (per la conduzione delle indagini, la formazione, la comunicazione verso l'estero, ecc.).

Tecniche di indagine - Tecniche d'indagine: registri di casi, studi clinici controllati, studi sulla popolazione generale e su popolazioni specifiche, monitoraggio e sorveglianza epidemiologica, ricercazione di prevenzione su casi specifici e su popolazioni, tecniche OLAP (On Line Analytic Processing), DM (Data Mining) DW (Data Warehousing) e ASR (Analytic Standard Report) sui "repositories".

Tecnologie - Tecnologie: Diagnostica per immagini, Biomarcatori, Elastosonografia e RVS (Real-time Virtual Sonography), applicazioni informatiche specifiche, sviluppo di interfacce di facile utilizzo per l'acquisizione, la trasmissione protetta, la lettura e l'elaborazione dei dati e delle informazioni.


Collaborazioni (partner e committenti) Cardiovascular Disease Programme; WHO, Center for Int.Clearinghouse Birth Defects Monitoring WHO, American Thoracic Society US, Cochrane Collaboration UK, EACTS Congenital DB, Eur Ass Cardio Thoracic Surgery EU, European Respiratory Society UE, Commission Swedish Council on Alcohol and Other Drugs EU, Pompidou group EU Council, EMCDDA European Monitoring Centre Drugs and Drug Addiction EU, Presidenza del Consiglio, Industrie biomediche., Dipartimento Innovazione Tecnologica, Ministero del lavoro, Ministero della solidarietà sociale, Ministero della Salute, Amministrazioni delle Aziende Sanitarie di Sondrio, Varese, Milano città, Milano2, Milano3, Monza, Massa Carrara, Pisa, Empoli, Firenze e con le Regioni Veneto, Liguria, Lazio, Abruzzo, Campania e Sicilia.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Richieste di fondi alla Commissione Europea (VII Programma Quadro)per un progetto su Health and Aging (coordinato dal CNR) Richiesta di fondi alla Regione Veneto e al Ministero della Salute per la ricerca finalizzata 2009 Richiesta di donazioni liberali a Fondazione CARIPARO, ditte farmaceutiche, gruppi di ricerca pubblici e privati

Finalità

Obiettivi Supportare sulla base di studi clinici e di studi su popolazioni specifiche e generali i processi di valutazione dei metodi di diagnosi e cura, dell'intervento pubblico in materia ambientale e socio-sanitaria, e nell'organizzazione dei servizi sanitari. Contribuire all'innovazione tecnologica e strumentale nei processi di gestione clinica dei soggetti e nella gestione complessiva delle strutture cliniche di diagnosi e cura e di tipo socio-assistenziale. Sviluppare l'attività di monitoraggio epidemiologico e di sorveglianza ai fini della prevenzione di particolari situazioni di rischio sia individuale che collettivo. Sviluppare la metodologia epidemiologica, statistica ed informatica nel settore specifico di applicazione. Sviluppare le competenze attraverso la formazione di nuovi giovani ricercatori ai fini del potenziamento di strutture operative di ricerca.


Potenziale impiego - per processi produttivi Gli studi di popolazione sono fondamentali per indirizzare lo sviluppo di nuovi farmaci e markers diagnostici. Nel settore ambientale, tali risultanze sono fondamentali per la scelta di siti per insediamenti produttivi. I risultati degli studi metodologici portano a sviluppare applicazioni software nel settore del data mining sanitario. I risultati degli studi clinici sono fondamentali per orientare il processo di diagnosi e cura a livello del singolo paziente. Le basi di dati,le informazioni, gli indicatori di tipo statistico epidemiologico le analsi strutturate e i rapporti di sintesi ai vari livelli di definizione territoriale sono diventati strumenti di utilizzo corrente ai fini della definizione delle politiche di intervento. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I risultati degli studi clinici sono fondamentali per orientare il processo di diagnosi e cura a livello del singolo paziente. I risultati di tali studi contribuiscono alla costituzione di nuove conoscenze diagnostiche, terapeutiche e riabilitative. Gli studi su popolazione e gli studi di monitoraggio e sorveglianza epidemiologica forniscono mappe sempre più precise della distribuzione spazio-temporale dei fenomeni studiati e sull'evoluzione dei soggetti all'interno dei percorsi diagnostici, terapeutici e riabilitativi. Moduli

Modulo: Valutazione di Salute Individuale e di Popolazione e Ricerca sui Servizi Sanitari

Istituto esecutore: Istituto di Fisiologia Clinica Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Tecnologie innovative di accesso digitale ai beni culturali Dati generali

Progetto: Fruizione e valorizzazione del patrimonio culturale Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Patrimonio Culturale Responsabile indicato: PAOLO CIGNONI Temi

Tematiche di ricerca La commessa si propone di mettere a disposizione della comunità un insieme integrato di tecnologie informatiche innovative per una moderna fruizione del Patrimonio Culturale. L'attività è organizzata su sei linee: (1) 3D Scanning: sviluppo di strumenti di acquisizione automatica delle caratteristiche di forma e colore di opere 3D. (2) Sviluppo di strumenti flessibili per la visualizzazione interattiva ad alta qualità di dati 3D; (3) Tecniche di indicizzazione e di accesso a dati multimediali per BC (modello di metadati); (4) Progettazione di tecniche di protezione e pubblicazione su rete dei dati 3D; (5) Localizzazione del Patrimonio Culturale sul territorio. (6) Distribuzione di parte dei prodotti software risultanti dall'attività della commessa con licenze open source. La commessa cura inoltre la fruibilità dell'informazione ovunque e per chiunque, studiando pertanto forme di presentazione adatte ad ambienti, supporti tecnologici ed esigenze diverse (web, dispositivi mobili, etc.) ed adottando, ove possibile, soluzioni aperte.

Stato dell'arte L'evoluzione della Information Technologies (computer graphics, image processing, multimedia, digital libraries, GIS, computer-human interface, etc) permette la creazione e la fruizione di rappresentazioni digitali virtuali ed altamente fedeli di oggetti reali. Utilizzando piattaforme hardware convenzionali è ormai possibile visualizzare ed esplorare interattivamente oggetti o mondi virtuali, fornendo all'utente una percezione tridimensionale fedele e completa. Nel campo dei beni culturali questo genere di tecnologie sta avendo un forte impatto in tre distinti settori: catalogazione e archiviazione; analisi e restauro; fruizione e didattica. In particolare, le tecnologie visuali forniscono uno strumento estremamente efficace per veicolare conoscenze ad un pubblico sempre più vasto. Le nuove tecnologie possono modificare in modo profondo il modo in cui il grande pubblico si accosta al patrimonio culturale. Inoltre vanno sottolineate le potenzialità offerte da queste tecnologie nel campo della valorizzazione territoriale, permettendo di gestire la dispersione del patrimonio culturale e la geo-referenziazione dei beni (ad es. per le applicazioni orientate al turismo). Azioni

Attività da svolgere 1) Sviluppo e mantenimento delle librerie e i tool opensource prodotti dal laboratorio VCL-ISTI, con particolare riferimento alla suite di strumenti per la gestione di dati 3D ottenuti da scansioni in ambito beni culturali. In particolare si prevede, nell'ambito del progetto EU 3DCoform, di portare sotto licenze libere gran parte degli strumenti software precedentemente prodotti e di ulteriormente potenziare e sviluppare le potenzialita del sistema MeshLab in modo da rafforzarne il suo impatto in questo settore. 2) Sviluppo di nuove tecniche per l'allineamento automatico di mesh di superficie sia geometrico che fotografico 3) sviluppo di nuove tecniche l'editing out-of-core nel contesto del progetto EU COFORM 4) Sviluppo di nuove tecniche di parametrizzazione di mesh di superficie 5) Sviluppo di nuove tecniche per la visualizzazione integrata di grandi moli di dati fotografici e 3D nell'ambito della presentazione di dati ottenuti da rilievi integrati 3D e fotografici.

Punti critici e azioni da svolgere Dal punto di vista scientifico, le competenze e l'esperienza del gruppo di lavoro sono adeguate agli obbiettivi prefissati e non si individuano punti particolarmente critici. Come sempre il lato più critico della pianificazione della ricerca su medio e lungo termino è quello della incertezza finanziaria. La non competitività economica con il mercato del lavoro, rende difficile trattenere le migliori risorse umane. Spesso i migliori elementi, dopo anni di formazione di altissimo livello vengono sottratti alla ricerca proprio nel momento in cui il loro contributo sarebbe più fruttuoso.


Competenze, tecnologie e tecniche di indagine I gruppi ISTI coinvolti nelle attività della commessa hanno una solida esperienza ed una notevole visibilità internazionale (attestata tra l'altro dalla partecipazione a numerosi progetti europei e reti di eccellenza). Si vuole citare qui, in quanto particolarmente significativa nel contesto delle attività di fruizione del PC, la partecipazione alle seguenti reti di eccellenza e progetti europei, in cui i colleghi ISTI rivestono un ruolo di rilievo: • EU IST Network of Excellence "EPOCH - a European Research Network on Excellence in Processing Open

Cultural Heritage", IST-2002-507382, 2004-2007. • EU IST Network of Excellence "MUSCLE: Multimedia Understanding through Semantics, Computation and

Learning", IST-FP6-507752, 2004-2007. • EU IST "MultiMATCH: Multilingual/Multimedia Access to Cultural Heritage", IST 033104, 2006-2009, con

ISTI-CNR coordinatore del progetto. • EU IST Network of Excellence "SIMILAR - The European research taskforce creating human-machine interfaces

SIMILAR to human-human communication", IST-2002-507609

Strumentazione A livello di strumentazioni, sono disponibili gli strumenti per la digitalizzazione 3D (Laser 3D scanner KonicaMinolta VI910), per fotografia digitale e presentazione interattiva 3D (workstation grafiche), per la stampa in largo formato (plotter raster HP).


Tecnologie Tra le tecnologie sviluppate, si vuole qui citare a titolo di esempio la suite di prodotti software per la gestione di dati da scansione 3D. Tale insieme di prodotti software, che copre l'intero pipeline che va dalla elaborazione dei dati grezzi di scansione alla presentazione interattiva dei risultati, è frutto di vari anni di indagine e sviluppo (coperti da varie linee di finanziamento, di origine principalmente europea). I prodotti sono stati già forniti in uso ad un ampio numero di istituzioni o gruppi di lavoro (sia nazionali che internazionali); la linea di sviluppo prevede la libera cessione di tali strumenti, per uso scientifico, nell'ambito di licenze GPL. Inoltre l'utilizzo di tecnologie di sviluppo software multipiattaforma (windows, mac e Linux), permette di allargare il numero dei possibili utenti di queste tecnologie garantendone una più ampia diffusione.

Collaborazioni (partner e committenti) Partner dal settore IT: • Stanford University, USA (visualizzazione grafica 3D in rete con protezione dei dati) • Max Planck, Institute for Informatik, Germany (digitalizzazione 3D) • Katholieke Universiteit Leuven (B) ed ETH (CH); • Leica Geosystems (Italy), Konica Minolta (Germany) (digitalizzazione 3D) • Univ. Politecnica di Catalunia, Spain (applicazioni di virtual reality) • Technical Univ. Graz, Austria (digital libraries) • Centro DIAPREM, Facoltà di Architettura Ferrara (rilievo 3D di monumenti) • Kunsthistorische Institut del Max Plank (Firenze, I); • CNR: INOA (Firenze), ICVBC (Firenze), ITABC (Roma), IMATI (Genova), IBAM (Lecce) • Univ. di Genova, Cagliari, Pisa • University of Sheffield (UK) • Dublin City University (Ireland) • University of Amsterdam (The Netherlands) • University of Geneva (CH) • Universidad Nacional de Educación a Distancia (E) • Stichting Nederlands Instituut voor Beeld en Geluid � Netherlands Partner e committenti del mondo dei BBCC: • Sopr. Archeologica Toscana, Firenze • Opificio delle Pietre Dure, Firenze • Polo Museale Fiorentino, Galleria dell'Accademia • Soprintendenza Toscana Occidentale (SBAAAS), Pisa • Opera del Duomo, Pisa • Scuola Normale Superiore, Pisa


Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Si prevede di sottomettere una o più proposte nei prossimo bando EU IST (rielaborazione di precedente proposta) e valutare ulteriori possibilità di partecipazione ai prossimi bandi EU e nazionali. La partecipazione al progetto EU 3D Coform, partito nel dicembre 2008 fornirà la linea principale di finanziamento alle attività tecniche di questa commessa.

Finalità

Obiettivi L'obiettivo primario della commessa è la progettazione e realizzazione di strumenti software di supporto all'integrazione di rappresentazioni virtuali 3D e 2D e della relativa conoscenza, al fine di realizzare applicazioni di presentazione multimediale, sia in ambiente desktop che di rete. In particolare si promuove anche lo sviluppo di strumenti software distribuiti con licenze open source che permettano una vasta diffusione dei risultati prodotti in questa commessa anche da parte di quelle realtà dove sono presenti forti vincoli di budget. Le competenze da impiegare provengono da 4 diversi laboratori (macrolinee) di ISTI, coprendo così uno spettro molto ampio di attività ICT per i Beni Culturali.

Risultati attesi nell'anno Oltre alla consueta serie di pubblicazioni su riviste e congressi internazionali che convalidino l'impatto scientifico dei risultati ottenuti si prevede che dal punti di vista degli strumenti software prodotti dal laboratorio si avranno: • almeno due nuove versioni di MeshLab saranno rilasciate. Esse integreranno buona parte dei implementazioni

software dei risultati attesi per entro l'anno. • un framework integrato per il sampling di superfici • un sistema per la presentazione integrata di dati 3d e fotografici

Potenziale impiego - per processi produttivi Buona parte delle tecniche sviluppate, e validate nel settore delle applicazioni di tecnologie informatiche ai beni culturali, hanno un molto più ampio potenziale campo di applicazione. Ciò vale per le tecniche di acquisizione e gestione dei dati 3D (estendibili, a titolo di esempio, alle applicazioni industriali per controllo di produzione, al settore biomedicale, alla realtà virtuale per controllo del design o alla valutazione di ergonomia, etc), così come per le tecnologie per la gestione evoluta dei dati (digital libraries). - per risposte a bisogni individuali e collettivi L'uso delle tecnologie visive per l'analisi e la presentazione del Patrimonio Culturale dovrebbe stimolare un'accrescimento della conoscenza, dando risposte nuove ai bisogni collettivi sia di conoscenza che di intrattenimento "intelligente". La possibilità di garantire ampio accesso ai dati ed alle conoscenze sui BBCC può rendere molto più partecipe la società del valore e dell'importanza del nostro patrimonio. Un caso specifico è quello delle azioni volte al restauro: i costi e, in molti casi, le difficoltà nella vita del cittadino introdotte da un importante cantiere di restauro possono trovare una migliore comprensione e supporto ove il progetto di restauro sia reso visibile e comprensibile mediante semplici strumenti accessibili via web. Inoltre la realizzazione di strumenti software distribuiti con licenze open source e hardware a basso costo risponde alle esigenze di molte realtà operanti nel settore dei beni culturali dove forti vincoli di budget limitano fortemente l'uso di queste tecnologie. Moduli

Modulo: Tecnologie innovative di accesso digitale ai beni culturali Istituto esecutore: Istituto di scienze e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo" Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Il sistema terra: interazioni tra terra solida, mare, acque interne, atmosfera e biosfera Dati generali

Progetto: Il sistema terra: interazioni tra terra solida, mare, acque interne, atmosfera e biosfera

Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Terra e Ambiente Responsabile indicato: SONIA TONARINI Temi

Tematiche di ricerca Il modulo d'attività gestito dall'IGG è suddiviso in cinque tematiche di ricerca: 1) caratterizzazione geochimica-isotopica dell'area circum-mediterranea, 2) processi di interazione tra terra solida e idrosfera; 3) cronologia dei processi geologici; 4) traccianti geochimica a microscala, determinazioni in-situ di elementi in traccia e rapporti isotopici; 5) processi di interazione fusi-peridotiti. Il modulo gestito dall'IGAG ha come principale linea tematica lo studio delle interazioni tra i magmi e le rocce incassanti.

Stato dell'arte L'attività di questa commessa si propone di ampliare le conoscenze relative ad alcuni aspetti fondamentali dell'evoluzione chimica del nostro pianeta quali la genesi dei magmi, l'interazione dei magmi con la litosfera continentale ed oceanica, l'evoluzione temporale della litosfera continentale, riciclo di materiali continentali nel mantello terrestre e l'interazione tra fluidi profondi e superficiali nelle aree vulcaniche e geotermiche. A queste attività "classiche" si aggiungono gli studi indirizzati alla conoscenza dello stato della qualità chimica degli ecosistemi perturbati dalle azioni antropiche e per i quali i valori chimici naturali (di fondo) sono definiti dalle conoscenze acquisite nello svolgimento di programmi non applicativi. Complessivamente la commessa ha un'ottima produzione scientifica e le risorse esterne, seppur non costanti, permettono di mantenere funzionanti i laboratori e di raggiungere gli obiettivi fissati. L'aspetto negativo è l'impossibilità di programmare l'attività di ricerca che è invece indirizzata dai progetti esterni. Azioni

Attività da svolgere Per il 2009 le attività previste sono: 1) evoluzione chimico-fisica del mantello a seguito di processi di interazione tra fusi e peridotiti e a seguito del riciclaggio di materiali superficiali durante la subduzione. 2) studio delle sequenze intrusive e mettono metamorfiche delle Alpi. Datazione di rocce milonitiche e pseudotachiliti di faglia per definire le relazioni tra miloniti e rottura fragile in regime sismico. Datazioni di marker stratigrafici. Continuerà il progetto internazionale ANDRILL e saranno studiati i campioni di roccia prelevati nel corso della perforazione AND-2A; Le tematiche ad indirizzo ambientale che saranno svolte il prossimo anno spaziano da: 1) studio dei meccanismi di accumulo e trasferimento di metalli pesanti nei suoli e nelle acque studio dei processi di interazione acqua-roccia con particolare attenzione allo scambio con- e alla identificazione dei- contributi antropici (pianura Padana, zona di Ravenna, di Modena e Reggio e del fiume Cecina). Sarà, inoltre, affrontato uno studio di fattibilità per l'autonomia idrica dell'Isola d'Elba; 2) altri studi che saranno addrontati riguardano l'archeometria e il controllo di origine dei prodotti agro-alimentari. Il modulo IGAG prevede di continuare le ricerche in atto per verificare, su basi sperimentali, le variazioni chimiche e mineralogiche indotte dai magmi nelle rocce incassanti.

Punti critici e azioni da svolgere L'attuale patrimonio strumentale, su cui si basa l'attività della commessa, è in larga parte obsoleto e non permette programmazioni a lungo termine. Le apparecchiature sono ormai inadeguate a mantenere un elevato standard internazionale e necessitano di essere sostituite. In particolare sarebbe necessario l'acquisto di uno spettrometro multicollettore con sorgente plasma alla sede di Pisa; la sostituzione dell'attuale ICP-MS ad alta risoluzione di Pavia con uno spettrometro multi-collettore abbinato ad una laser ablation; l'acquisto di una microsonda ionica IMS7F, sempre a Pavia, specificatamente progettata per analisi in alta precisione di isotopi stabili e particolarmente quelli leggeri. La messa a punto di un sistema di petrografia sperimentale tale da riprodurre le interazioni magmi rocce sedimentarie è necessario per lo sviluppo delle ricerche svolte a Roma (IGAG). Tutte queste strumentazioni hanno costi elevati e non possono essere acquisite attraverso programmi di ricerca e/o con contratti con Enti Locali. Sarebbe quindi auspicabile un serio programma per il rinnovamento delle infrastrutture di ricerca del CNR. Il potenziale di impiego delle tecniche utilizzate nell'ambito della commessa è altissimo, basti pensare alle caratterizzazioni dei marmi utilizzati nei beni culturali con gli isotopi dello stronzio, delle leghe e degli altri manufatti in metalli con gli


isotopi del piombo, alle applicazioni al controllo di origine dei prodotti agroalimentari; alle applicazioni alla qualità delle acque, alla qualità dell'aria determinando l'origine delle polveri sottili con gli isotopi radiogenici. Sarebbe necessario pubblicizzare maggiormente le possibilità applicative delle metodologie utilizzate sia all'interno del Dipartimento terra e Ambiente sia al sistema esterno.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Le competenze del personale afferente alla commessa sono indirizzate fondamentalmente allo studio dei contesti geologici attuali e passati. Queste conoscenze permettono di avere i valori chimici ed isotopici naturali in cui si sviluppa l'attività antropica e quindi di individuare e quantizzare gli effetti antropici sul territorio, oltre che prevederne l'evoluzione naturale. La commessa si avvale di laboratori e strumentazione capaci di produrre dati di altissima qualità, talvolta unici in Italia e rari nel mondo, che se applicate in modo equilibrato sia alla ricerca di base che a quella applicata potrebbero fornire importanti risultati a molti campi applicativi.

Strumentazione Spettrometro di massa per gas nobili MAP215-50 equipaggiato con due sonde laser con sorgente solida Nd:YAG operanti una in emissione continua nell'infrarossa e l'altra impulsata nell'ultravioletto. Spettrometro di massa per gas nobili MAP215-50 equipaggiato con due sonde laser con sorgente solida Nd:YAG operanti una in emissione continua nell'infrarossa e l'altra impulsata nell'ultravioletto. Spettrometri di massa a sorgente solida Finnigan MAT 262 equipaggiato con un collettore fisso e 6 collettori mobili, e VG 54E con un singolo collettore. Spettrometro di massa a sorgente solida VG54E equipaggiato con collettore singolo ed installato nella Unità territoriale di Padova. LA-ICP-MS (U.O. Pavia), associa uno spettrometro di massa a settore magnetico a doppia focalizzazione con sorgente al plasma tipo ELEMENT I (ThermoFinnigan) ad una microsonda laser La microsonda ionica Cameca ims 4f (sezione territoriale di Pavia), essa impiega i metodi della Spettrometria di Massa a Ioni Secondari (SIMS). Spettrometro di massa a sorgente solida Finnigan MAT 262 equipaggiato con 5 collettori mobili ed uno fisso; spettrometro di massa a collettore singolo VG 54E.

Tecniche di indagine Le principali tecniche di indagine utilizzate sono: 1) determinazione degli elementi in tracce e degli elementi mobili nei fluidi in-situ; 2) determinazione delle età isotopiche con i metodi Ar-Ar; U-Th-Pb; e tracce di fissione; 3) detrminazioni di rapporti isotopici di metalli come boro, stronzio, neodimio, piombo, cromo; 4) determinazione dei rapporti isotopici dei gas nobili (elio, neon, argon, ect.); 5) analisi chimiche di rocce, minerali e fluidi.

Tecnologie .

Collaborazioni (partner e committenti) Il progetto si avvale della collaborazione con numerosi Dipartimenti di Scienze della Terra italiani e stranieri. Collaborazioni continuate nel tempo sono quelle con le sedi universitarie del personale associato ai moduli IGG e ICAG (Pisa, Pavia, Firenze, Padova, Roma) e con gli Enti Locali. Sono inoltre attive collaborazioni con l'INGV e con università straniere (in Germania, Svizzera, Stati Uniti, Turchia, Australia)

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate L'alta qualità dei dati prodotti nei laboratori e la rilevanza internazionale delle pubblicazioni scientifiche fanno si che ci sia una richiesta da parte di centri di ricerca e Università di tutto il mondo di collaborazioni scientifiche indirizzate allo studio di contesti geologici locali. In queste collaborazioni le spese sostenute per la parte analitica sono a carico delle strutture richiedenti. La preparazione e la sottomissione di programmi nell'ambito del Progetto Nazionale di Ricerche in Antartide e dell'Istituto di Geofisica e Vulcanologia sono e saranno ulteriormente sollecitati. Si intende preparare programmi di ricerca nell'ambito dei programmi finanziati con fondi ministeriali PRIM. Difficile è accedere ai programmi finanziati dalla Comunità Europea perché raramente si raggiunge la massa critica necessaria per proporre programmi su particolari obiettivi. Sempre più importanti sono i finanziamenti provenienti da programmi e collaborazioni con gli Enti Locali. In questo campo sarebbe opportune una maggiore divulgazione delle potenzialità dei traccianti geochimici ed isotopici nell'affrontare i problemi ambientali.


Finalità

Obiettivi Gli obbiettivi della commessa sono ancora legati alle attività classiche della geochimica e geologia isotopica, e cioè: • Caratteristiche composizionali dei fusi primari, origine e cronologia degli eventi metasomatici mantellici; • Modellizzazione dei processi di erosione termo-meccanica del mantello litosferico ad opera di fusi profondi; • Ruolo dei processi di differenziazione e contaminazione dei magmi nella crosta inferiore e superiore; • Maggiori conoscenze sui processi che possono influenzare il comportamento degli isotopi utilizzati per la

datazione degli eventi geologici; • Cronologia isotopica dei processi litosferici; • Caratterizzazione e modellizzazione isotopica dei processi dei processi di interazione fluido-roccia; • Sviluppo e affinamento di metodologie analitiche.

Risultati attesi nell'anno Incremento delle conoscenze dei contesti geologici attuali e passati, applicazioni della geochimica e geochimica isotopica all'individuare e quantizzare gli effetti antropici sul territorio. La commessa si avvale di laboratori e strumentazione capaci di produrre dati di altissima qualità, talvolta unici in Italia e rari nel mondo, che se applicate in modo equilibrato sia alla ricerca di base che a quella applicata potrebbero fornire importanti risultati a molti campi applicativi. Ci proponiamo di cercare di armonizzare i programmi della commessa con quelli di altre commesse a carattere più applicativo e di raggiungere una massa critica per collaborare e competere con strutture analoghe a livello europeo. Altri risultati attesi soo le pubblicazioni scientifiche, rapporti, comunicazioni a congressi.

Potenziale impiego - per processi produttivi . - per risposte a bisogni individuali e collettivi Il potenziale di impiego delle tecniche utilizzate nell'ambito della commessa è altissimo, basti pensare alle caratterizzazioni dei marmi utilizzati nei beni culturali con gli isotopi dello stronzio, delle leghe e degli altri manufatti in metalli con gli isotopi del piombo, alle applicazioni al controllo di origine dei prodotti agroalimentari; alle applicazioni alla qualità delle acque, alla qualità dell'aria detreminando l'origine delle polveri sottili con gli isotopi radiogenici. L'alta e qualificata produzione scientifica testimonia dell'importanza delle applicazioni all'incremento della conoscenza. Moduli

Modulo: Studio delle interazioni tra fluidi e solidi nei processi di metasomatismo del mantello e nella genesi ed evoluzione dei magmi.

Istituto esecutore: Istituto di geologia ambientale e geoingegneria Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Studio della distribuzione degli elementi e degli isotopi nell'astenosfera, litosfera, idrosfera e atmosfera

Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto


Qualità del suolo Dati generali

Progetto: Qualità dei sistemi ambientali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto per lo studio degli ecosistemi Sede principale svolgimento: Sede di Pisa Dip. di prevista afferenza: Terra e Ambiente Responsabile indicato: BRUNELLO CECCANTI Temi

Tematiche di ricerca Le tematiche di ricerca della Commessa sono suddivise in due Moduli. Il primo Modulo è relativo ad indagini sulla "Qualità e funzioni del suolo" e si articola nelle Attività: 1. Fattori chimici, biochimici, fisici e biologici che determinano la qualità e le funzioni del suolo; 2. Valutazione della qualità e interventi di recupero in suoli marginali e degradati a seguito di stress naturali e

antropici; 3. Comportamento chimico-fisico e biochimico dei microelementi nel suolo in relazione al loro inserimento nei

processi naturali. Il secondo Modulo ha come argomento la "Definizione dello stato di equilibrio dei suolo vulcanici; cartografia geochimica ed è composto dalle seguenti Attività: 1. Distribuzione nel suolo di isotopi stabili e di elementi radioattivi naturali e antropogenici; 2. Cartografia geochimica.

Stato dell'arte Qualsiasi ipotesi di sviluppo sostenibile non può prescindere dal suolo anche se le sue funzioni sociali e ambientali non sono ancora perfettamente percepite né dai comuni cittadini né dai politici. L'EEA prende ancora atto che, pur essendo il suolo essenziale alle attività umane come l'aria e l'acqua, le alterazioni della qualità del suolo non hanno ancora ricevuto le attenzioni riservate agli altri due comparti ambientali. Nel 2002, è stato pubblicato dalla CE il documento "Toward a Strategy for Soil Protection" sull'importanza sociale, economica e ambientale del suolo. Nel 2006 la CE ha illustrato formalmente le strategie tematiche da adottare, da parte delle Regioni dei Paesi membri, per la protezione del suolo. Tali strategie erano state individuate e sottoposte all'attenzione dei Paesi membri nelle riunioni delle Conferenze delle Parti dell'UNEP-CCD che da sempre riconosce l'importanza della protezione del suolo da processi di degradazione irreversibile e fenomeni di desertificazione. Èquindi necessario affrontare in maniera sistematica i problemi legati alle modifiche della qualità del suolo prendendo in esame i parametri che sono in grado di definire Azioni

Attività da svolgere La Commessa è formata dai due Moduli "Qualità e funzioni del suolo" e "Definizione dello stato di equilibrio dei suolo vulcanici; cartografia geochimica". La attività in programma nei due Moduli proseguiranno lungo due linee strettamente connesse e consequenziali. La prima è relativa alla comprensione dei principali processi che determinano la qualità e le funzioni del suolo mentre la seconda raggruppa le azioni che si pongono come obiettivo quello di mettere a punto strategie e strumenti operativi eco-compatibili per contrastare i processi di degradazione e migliorare la qualità del suolo a seguito di stress naturali e antropici. Le attività si svolgeranno secondo quanto esposto precedentemente, anche se l'acquisizione di eventuali nuovi contratti potrà comportare delle modifiche nella individuazione delle priorità all'interno delle linee. Infatti, come è avvenuto nell'anno in corso, anche nel futuro un notevole numero di attività in programma faranno parte di contratti con terzi.

Punti critici e azioni da svolgere Il reperimento di fondi esterni è diventato ormai indispensabile a causa della scarsità di risorse distribuite dal CNR e sarà necessario proseguire su questa strada anche nel futuro. Tuttavia, la gestione delle attività connesse a questa pratica necessita di un impegno costante che entra spesso in contrasto con le continue e pressanti richieste di adempimenti vari provenienti dal CNR con modulistica che, oltretutto, varia ogni anno. Per ottimizzare la raccolta di informazioni lungo la catena "ricercatore/responsabile di Modulo/responsabile di Commessa" sarebbe opportuno conoscere con congruo anticipo tempi e modalità degli adempimenti richiesti. Diventa sempre più urgente procedere sia ad aggiornare le apparecchiature esistenti sia a sostituire il personale già ritirato o che raggiungerà a breve i requisiti richiesti per la pensione.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Esperienze nazionali e internazionali di coordinamento e programmazione delle ricerche in campo ambientale, con particolare riferimento all'ecosistema suolo e alle sue interazioni con le altre matrici della biosfera. Tali conoscenze


sono attuali proprio per l'applicazione di tecnologie di rilevamento dei processi fondamentali di scambio suolo-acqua-aria.

Strumentazione - Quantimet 570 analizzatore d'immagine completo di microscopio ottico e strumentazione per la preparazione di sezioni sottili - Microtrac 7995 and Microtrac 9320 X100-FRA laser per la determinazione delle frazioni granulometriche - Atomic Absorption spectrophotometers Varian 250 and Perkin Elmer 3030, completo di accessori di generatore di idruri e fornetto a grafite - Gas-cromatography Mass-spectrometry HP1800 A con pirolizzatore Pyroprobe 120 - Ionic Cromatograph Dionex 2000 - High Performance Liquid Chromatograph Perkin Elmer LC 1020 - Plasma freddo di ossigeno (costruito presso i laboratori dell'ISE di Firenze) - Spettrometria STIR e PAS - Porosimetro a mercurio (Carlo Erba, Porosimeter 2000) - Sorptomatic (Carlo Erba) per la misura della supercie specifica e microporosità - Spettrometro di massa TIMS Finnigan MAT-262. - Spettrometri alfa portatili per l'analisi in situ di radon. Analizzatori di flusso di gas specifici per H2S ed AsH3. - Spettrometro di massa per gas (Quadrupolo).

Tecniche di indagine Le tecniche di indagine saranno ancora orientate ad un approccio olistico comprendente studi che si estendono dai macrosistemi (copertura vegetale, franosità, ruscellamento, ecc.), ai mesosistemi (radici, rizosfera, ecc.) fino ai microsistemi (microrganismi, biomolecole, ecc.)

Tecnologie

Collaborazioni (partner e committenti) Le potenzialità della Commessa "Qualità del suolo" si esprimono anche attraverso le numerose collaborazioni già in atto al momento del suo avvio. Oltre ai normali stretti e continuativi rapporti con colleghi operanti in enti scientifici ed università italiane e straniere, l'attualità e l'interesse delle ricerche svolte si esprime anche con le numerose collaborazioni con enti pubblici italiani ed industrie. Questa è una ulteriore dimostrazione che le ricerche sulla qualità del suolo sono importanti non solo a livello scientifico ma hanno anche numerosi risvolti applicativi per risolvere problemi legati al miglioramento della qualità della vita.

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate Come già detto precedentemente, il reperimento di fondi esterni è diventato una prassi ormai consolidata a causa della scarsità di risorse distribuite dal CNR. Come è ampiamente dimostrato dai contratti già acquisiti dai ricercatori operanti nel Modulo, è stato possibile reperire fondi esterni da enti locali, da privati, da Ministeri e dalla CE. Nel futuro sarà indispensabile proseguire su questa strada non trascurando nessuna possibile fonte di finanziamento. In particolare, sono in corso di preparazione progetti di ricerca per la partecipazione al VII programma Quadro della UE. Saranno presentate richieste di partecipazione a proposte PRIN 2009, in collaborazione con l'Università di Roma La Sapienza, l'Università di Firenze e l'Università di Pisa. Inoltre, si tenterà di reperire finanziamenti coinvolgendo anche le amministrazioni locali. Sarebbe auspicabile snellire le procedure per firmare i protocolli d'intesa, dichiarazioni di interesse, documenti preliminari di progetti.

Finalità

Obiettivi Per quanto riguarda gli aspetti generali è necessario porsi, come primo obiettivo, quello di raggiungere la maggiore integrazione possibile tra i moduli che compongono la Commessa in modo da ottimizzare l'utilizzazione delle risorse e delle conoscenze. Di non minore importanza è l'opportunità di mantenere stretti contatti con le altre Commesse del Dipartimento dove sono presenti aspetti relativi al suolo. Gli obiettivi specifici sono relativi a due aspetti intimamente connessi e consequenziali: il primo è quello della comprensione di quali siano i più significativi processi che possono meglio rappresentare i diversi aspetti della "qualità" del suolo in diverse situazioni ambientali; il secondo è quello degli interventi mirati una volta che sia chiaro come sia possibile scegliere ed utilizzare gli strumenti più adatti e le tecniche più adeguate per opporsi ad eventuali processi degradativi in atto nel suolo ripristinandone o migliorandone la qualità.

Risultati attesi nell'anno Nell'ambito delle Attività che compongono la Commessa è previsto l'ottenimento di risultati relativi a: l'individuazione di parametri responsabili della erosione dei suoli e la selezione di quelli sensibili al passaggio del fuoco; la messa a punto di una procedura per valutare mediante GPR ed ERT la presenza di orizzonti compattati; le definizione dell'evoluzione temporale della rugosità superficiale in versanti di aree suscettibili alla degradazione; la


valorizzazione di matrici organiche di scarto per la preparazione di tecnosuoli e ammendanti di interesse agro-ambientale; l'individuazione dei meccanismi relativi all'assorbimento di proteine da parte della sostanza organica del suolo (complessi umo-proteici); la selezione e validazione di indicatori biochimici per il monitoraggio della degradazione dei suoli e la dinamica del loro recupero; l'affinamento delle tecniche di impianto di comunità floristiche in diversi ambienti antropizzati; la quantificazione dei fenomeni di assorbimento e accumulo del Se nelle piante accumulatrici e sensibili. Brevetto su un nuovo metodo di identificazione di solfati solubili sulla superficie di manufatti antropici. Brevetto internazionale sul processo di fitostabilizzazione dei fanghi civili.

Potenziale impiego - per processi produttivi I potenziali impieghi in processi produttivi sono presenti nelle attività relative: Modulo 3.5.1 "Qualità e funzioni del suolo" All'uso di marcatori enzimatici per la valutazione della produttività agronomica, all'impatto degli incendi sulla produttività del suolo, alla messa a punto di tecniche di compostaggio, alla produzione e commercializzazione di semi di wildflowers, all'uso di cianobatteri per il recupero biologico di suoli aridi, alla bonifica di suoli inquinati con piante iperaccumulatrici, alla produzione di vegetali con benefici effetti sulla salute umana. Modulo 3.5.2 "Definizione dello stato di equilibrio dei suoli vulcanici" Alla ottimizzazione dalla capacità produttive del territorio attraverso la cartografia geochimica. - per risposte a bisogni individuali e collettivi I potenziali impieghi per risposte a bisogni individuali e collettivi sono presenti nelle attività relative: Modulo 3.5.1 "Qualità e funzioni del suolo" All'uso di marcatori enzimatici per la valutazione della qualità del suolo, alla caratterizzazione della struttura del suolo e dei suoi rapporti con la sostanza organica, alla messa a punto ed applicazione di tecniche innovative (TDR e plasma freddo di ossigeno), ai problemi causati della presenza del prione della TSE nel suolo, alla messa a punto di programmi di previsione dell'erosione in suoli percorsi da incendi, alla valorizzazione dei rifiuti e all'uso del compost per il recupero di suoli degradati, alla caratterizzazione ed uso di wildflowers, alla conoscenza dei cicli biogeochimici dei metalli. Modulo 3.5.2 "Definizione dello stato di equilibrio dei suoli vulcanici" Alla comprensione del ciclo biogeochimico del ferro e del rame, all'uso della cartografia geochimica per l'individuazione dell'origine di particolari elementi. Moduli

Modulo: Definizione dello stato di equilibrio di suoli vulcanici; cartografia geochimica.

Istituto esecutore: Istituto di geologia ambientale e geoingegneria Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Qualità e funzioni del suolo Istituto esecutore: Istituto per lo studio degli ecosistemi Luogo di svolgimento attività: Sede di Pisa


Valutazione e gestione delle georisorse Dati generali

Progetto: Sostenibilità dei sistemi ambientali Tipologia di ricerca: Progetti relativi a linee tematiche a carattere strategico Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Sede principale svolgimento: Sede principale Istituto Dip. di prevista afferenza: Terra e Ambiente Responsabile indicato: ADELE MANZELLA Temi

Tematiche di ricerca Prospezione geologica, geochimica e geofisica delle georisorse. Valutazione, origine ed effetti ambientali dei fluidi termali, sviluppando anche modelli evolutivi concettuali dei campi geotermici. Studio degli analoghi naturali del processo di carbonatazione. Modellistica numerica di confinamento della CO2. Definizione delle potenziali disponibilità di minerali e rocce industriali e di giacimenti minerari metallici

Stato dell'arte Le georisorse fluide rappresentano un importante contributo energetico rinnovabile. In Italia sono presenti varie aree geotermiche utili allo sfruttamento per riscaldamento, per usi elettrici e termali. La valutazione delle risorse geotermiche va rivista in funzione della tecnologia attualmente disponibile (teleriscaldamento con fluidi geotermici magari in combinazione con altre fonti energetiche, pompe di calore, sistemi binari per la produzione di energia elettrica) anche in aree attualmente non sottoposte a prospezione. Gli studi nel settore delle georisorse non rinnovabili, per il reperimento e sfruttamento di minerali metallici e rocce industriali, hanno fornito una buona conoscenza di numerosi depositi. Per le mineralizzazioni ancora non economicamente sfruttabili sono attualmente in corso indagini esplorative più approfondite in quanto il continuo sviluppo delle richieste di mercato fa intravedere buone prospettive per una futura coltivazione. Negli ultimi anni, il sequestro mineralogico di CO2 è stato studiato con crescente interesse poiché rappresenta l'unica tecnologia di CCS che permette di intrappolare permanentemente la CO2 all'interno dei carbonati prodotti. Azioni

Attività da svolgere Saranno effettuati una serie di esperimenti di reazione CO2-serpentinite per simulare in laboratorio il processo di carbonatazione indotta. Lo studio sperimentale prevederà l'effettuazione di esperimenti (a T fino a 200°C e P variabili fino a 100 MPa), mediante l'utilizzo di un autoclave a riscaldamento esterno, su materiali di partenza formati da rocce e non da materiale monomineralico, consentendo pertanto una migliore simulazione in laboratorio dei sistemi naturali. Saranno applicate simulazioni numeriche per verificare, sulla base delle informazioni ottenute, la reale fattibilità di processi di carbonatazione in situ di un corpo serpentinitico permeabile per fratturazione, sia contenuto che non in un acquifero salino, e delimitato da formazioni geologiche impermeabili (argille, flysch) in vista di un futuro progetto pilota nelle serpentiniti toscane. Verranno concluse le modellazioni ed interpretazioni dei dati magnetotellurici in Toscana e Sicilia, definendo la distribuzione di resisitività elettrica del sottosuolo e la presenza e stato di fluidi sotterranei, e, qualora possibile, delle condizioni reologiche. Verrà effettuata la modellistica numerica di sistemi geotermici in Toscana, cercando di integrare dati di natura diversa (geologici, geochimici e geofisici) e verrà verificata la funzionalità dell'integrazione dati in sistemi geotermici in rocce cristalline. L'attività di ricerca nel campo dei giacimenti minerari le aree maggiormente indiziate per il reperimento di materie prime utili per differenti impieghi industriali saranno oggetto di prospezione strategico-tattica, finalizzata a definire e circoscrivere le zone e le mineralizzazioni di maggior interesse e potenzialità. Su aree e corpi minerari di elevata potenzialità economica, saranno condotte prospezioni di dettaglio. In particolare, l'attività di ricerca avrà come obiettivi lo sviluppo delle diverse tematiche quali: geogiacimentologia dei depositi di minerali industriali della Sardegna; la verifica dell'impatto ambientale conseguente allo sfruttamento delle georisorse sarà effettuata nei siti in cui l'attività mineraria potrebbe influenzare negativamente l'ecosistema adiacente; studio e monitoraggio delle relazioni esistenti tra la coltivazione e l'economia delle comunità coinvolte nell'attività mineraria; studi geogiacimentologici delle mineralizzazioni associate alla base del Miocene sedimentario della Sardegna e quelli sui processi metallogenici che hanno condotto alla formazione della mineralizzazione epitermale aurifera; proseguiranno le ricerche sulle mineralizzazioni ad elementi rari e preziosi del basamento Paleozoico sardo con lo studio sulle manifestazioni idrotermali; sarà completato il nuovo rilevamento geologico-strutturale e geo-giacimentologico del distretto di Baccu Locci; aranno definite la giacimentologia e l'interpretazione genetica delle aree contigue di rilevante intesse economico.


Punti critici e azioni da svolgere I fattori maggiormente penalizzanti per il corretto svolgimento del programma proposto riguardano essenzialmente la scarsità di fondi istituzionali di ricerca e di risorse umane. Dette carenze limitano la possibilità di realizzare i programmi e mantenere gli impegni assunti in fase previsionale. Di conseguenza, la produzione di risultati scientifici che siano all'avanguardia, e soprattutto che abbiano una ricaduta d'interesse internazionale, sarà fortemente condizionata dalla possibilità di ottenere finanziamenti ed acquisire nuove unità di personale, nonché nuove apparecchiature analitiche. Il patrimonio strumentale è infatti in molti casi obsoleto e il progetto richiede un adeguato investimento in inventariabile.

Competenze, tecnologie e tecniche di indagine Competenze pluriennale nel campo della geologia, geochimica, geofisica acquisita nel campo delle ricerche geotermiche, giacimentologiche e di sequestro geologico, oltre ad una profonda esperienza analitica per ciò che riguarda gas e rocce.

Strumentazione - Strumentazioni per indagini geofisiche (magnetotellurica, misure di flusso di calore e di conducibilità termica, gravimetria). - Microscopio a scansione con microanalizzatore per lo studio delle matrici delle rocce serbatoio. - Strumentazione per lo studio delle inclusioni fluide. - Diffrattometro a raggi x. - LAM_ICP_MS ThermoFinnigan, Element II - Laser Fluorination_IRMS ThermoFinnigan Delta XP - Linee di estrazione ad alto vuoto per analisi di rapporti isotopici 13C/12C, D/H, 15N/14N in minerali, gas e fluidi. - Autoclave per esperimenti di interazione fluido-roccia idrotermale - DIFFRATTOMETRO A RAGGI X RIGAKU - ICP OTTICO PERKIN ELMER - ICP-MS PERKIN ELMER ELAN 6000 - MICROSONDA ELETTRONICA AUTOMATICA WDS-EDS ARL SEMQ - SPETTROMETRO DI MASSA FINN. MAT 262 - STRUMENTAZIONE ASSING STA 780 - DIFFRATTOMETRO PANALYTICAL X'PERT PRO - LABORATORIO DI PETROFISICA - MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE (SEM) CON MICROSONDA EDS - MICROSONDA ELETTRONICA JEOL JXA-8200

Tecniche di indagine Metodologie geofisiche, geochimiche, geologiche e minero-petrografiche

Tecnologie Modellistica numerica eseguita con i seguenti software (in maiuscolo): fluido-dinamica (TOUGH2), accoppiata geochimica e fluido-dinamica (TOUGHREACT), fisico-chimica (COMSOL), geofisica per dati elettromagnetici (vari algoritmi disponibili per la comunità scientifica, e quelli compresi nel software WinGLink. Software ARCGIS9.X per l'analisi geomorfologica e geostatistica su modelli digitali del terreno e l'analisi integrata di basi di dati ambientali multidisciplinari.

Collaborazioni (partner e committenti) Le attività vengono finanziate dalla Comunità Europea e dal MIUR. Sono in atto numerose collaborazione con Dipartimenti di Scienze della Terra (Università di Firenze, Padova, Pavia, Pisa, Roma,Torino etc.), università (Etiopia, Francia, Gran Bretagna, Russia, Germania, Svizzera, Cina etc.) e centri di ricerca (GFZ, Germania; BRGM, Francia) stranieri. Inoltre sono coinvolti sia le Regioni Toscana, Sardegna, l'APAT, e numerosi Enti territoriali e imprese (ENEL, ENI-AGIP, etc.).

Iniziative per l'acquisizione di ulteriori entrate E stato già preparato ed inviato alla Comunità Europea il testo per un progetto dimostrativo geotermico da svolgersi in collaborazione con partner stranieri. In collaborazione con il Centro di Eccellenza per la Geotermia di Larderello verranno preparati diversi progetti relativi alla geotermia. Si sta preparando un progetto per la Regione Toscana per impianti pilota di sequestro della CO2. Difficilmente la ricerca nel settore minerario potrà avvalersi di fondi provenienti da partners industriali e che permettano di intraprendere iniziative per l'acquisizione di nuove entrate

Finalità

Obiettivi Indagine sui meccanismi che permettono di comprendere i processi di concentrazione dei fluidi termali e dell'origine della CO2 naturale. Definizione mediante indagini geofisiche integrate a dati geologici di eventuali presenze di fluidi in profondità e delle caratteristiche di circolazione. Modelli di evoluzione di campi geotermici mediante dati


mineralogici, inclusioni fluide e geofisici. Studio delle ricariche e delle circolazioni idrogeologiche di sistemi termali. Definizione delle modalità più efficaci di confinamento geologico della CO2. Sviluppo e applicazione di tecniche diagnostiche a basso impatto ambientale in siti di interesse minerario, finalizzate all'ottimizzazione dell'attività estrattiva e alla valorizzazione dei materiali. Progettazione e creazione di un modello di osservazione della realtà montana nei suoi aspetti naturalistici, ambientali, culturali e scientifici.

Risultati attesi nell'anno Completamento attività geofisiche del progetto IGET (interpretazione dati geofisici, geologici e petrofisici e definizione della circolazione di fluidi in serbatoi geotermici in rocce cristalline). Trattamento dati geofisici per il progetto SIRIPRO e modellistica. Aggiornamento banca dati geotermica. Studi geologici-geochimici ed isotopici per poter avere un quadro completo dell'attività idrotermale che ha coinvolto le serpentiniti toscane e riproduzione in laboratorio di processi di carbonatazione indotta. Acquisizione di dati e informazioni su: - la mineralogia dei depositi, le associazioni paragenetiche e i processi minerogenetici coinvolti nella formazione dei corpi minerari; - le relazioni tra paragenesi e gli ambienti geologici di formazione; - i modelli genetici delle differenti tipologie di giacimenti studiati; - la petrografia e petrologia delle mineralizzazioni e delle rocce ospiti/madri; - la geochimica delle mineralizzazioni e dei fluidi mineralizzanti, nonché i processi geochimici coinvolti nella loro genesi; - le guide principali alla prospezione di depositi della stessa natura e tipologia; - l'individuazione e l'applicazione delle metodologie geofisiche più appropriate, e che meglio si integrano con i le tecniche classiche di prospezione mineraria, nello studio delle caratteristiche geometriche dei corpi mineralizzati di differente natura; - le caratteristiche geometriche dei corpi minerari, l'omogeneità dei materiali, le relazioni tra le caratteristiche geologiche e le anomalie fisiche dei corpi minerari; - l'individuazione delle risorse e la stima delle riserve dei depositi di maggior potenzialità; - la caratterizzazione tecnologica delle materie prime e le ottimali destinazioni d'uso; - la caratterizzazione elasto-meccanica dei materiali di cava, mediante lo svilupppo e applicazione di tecniche micro-geofisiche non-distruttive (ND) (in-situ ed in laboratorio) e la relativa calibrazione dei dati per mezzo di tecniche diagnostiche dirette. - gli effetti dell'impatto ambientale conseguente allo sfruttamento delle georisorse; - le relazioni esistenti tra la coltivazione e l'economia delle comunità coinvolte nell'attività mineraria. - le condizioni di sviluppo sostenibile in diverse aree interessate da lavori minerari.

Potenziale impiego - per processi produttivi Ampliamento delle conoscenze dei fenomeni di circolazione dei fluidi geotermici e di interazione fluido-roccia, che sono essenziali per comprendere il comportamento dei serbatoi geotermici nel tempo per predirne il comportamento in conseguenza dello sfruttamento. Le applicazioni minerarie, in funzione delle caratteristiche composizionali e strutturali delle materie prime, potranno essere di interesse per vari settori industriali quali quello dell'edilizia, agricoltura, della ceramica, ecc. - per risposte a bisogni individuali e collettivi La valutazione delle risorse geotermiche permette di valorizzare le risorse energetiche disponibili in Italia. Gli studi di impatto ambientale dello sfruttamento geotermico e dei giacimenti minerari e quelli relativi al sequestro della CO2 sono di primaria importanza per garantire la corretta gestione delle risorse e la tutela ambientale. L'ampliamento dell'utilizzo delle georisorse sarebbe accompagnato da un incremento nel campo occupazionale. Moduli

Modulo: Valutazione e caratterizzazione di materiali lapidei usati a scopo ornamentale e industriale. Valorizzazione e fruizione della georisorsa "paesaggio naturale".

Istituto esecutore: Istituto per la dinamica dei processi ambientali Luogo di svolgimento attività: Sede di Milano

Modulo: Geotermia e sequestro di CO2 Istituto esecutore: Istituto di geoscienze e georisorse Luogo di svolgimento attività: Sede principale Istituto

Modulo: Giacimentologia e minerali metallici e industriali Istituto esecutore: Istituto di geologia ambientale e geoingegneria Luogo di svolgimento attività: Sede di Cagliari

DCSPI Articolazione regionale delle Attività 2009 Programmazione Operativa Regione Toscana

Articolazione Regionale - Consiglio Nazionale delle Ricerche · OPERA DEL VOCABOLARIO ITALIANO...

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