1,721,086 research outputs found
SIZE RESOLVED AEROSOL PARTICLE DEPOSITION TO EUROPEAN BROADLEAVED FORESTS
No full textGli effetti negativi del particolato (PM) sulla salute umana sono ampiamente riconosciuti. La vegetazione è stata proposta come possibile soluzione per mitigare l'inquinamento atmosferico, date le ampie superfici che gli alberi possono offrire per la deposizione del PM con le loro foglie. Tuttavia, una volta depositate, le particelle non possono essere considerate rimosse, ma possono subire diversi destini. Possono essere risospese nell'aria, incapsulate nelle cere delle foglie, dissolte in pellicole d'acqua o dilavate dalle precipitazioni. Dal canto loro, le foreste possono anche essere fonti di PM, in quanto possono rilasciare nell'atmosfera sia PM primario che precursori gassosi di PM secondario. Manca ancora una comprensione completa di questi processi. Data l'incertezza associata allo scambio di particelle foresta-atmosfera, il presente lavoro è stato finalizzato a migliorare la comprensione dei suddetti processi dinamici. L'attività di ricerca è stata condotta in due foreste di latifoglie situate in due zone climatiche diverse e con diverse fonti di inquinamento, la riserva naturale di Bosco Fontana (Marmirolo, Italia) e la foresta di Aelmoeseneie (Gontrode, Belgio). Le misure di flusso effettuate hanno mostrato una concordanza tra i due siti nell'identificare una deposizione netta di particelle fini (100 nm< dp< 1000 nm) nella stagione di vegetativa, tracciando per il sito di Bosco Fontana una relazione di dipendenza esponenziale tra la velocità di trasferimento del PM e l'indice di area fogliare (LAI). Per quanto riguarda le particelle ultrafini, invece, è stato riscontrato un comportamento opposto tra le due foreste: a Bosco Fontana è prevalsa l'emissione di particelle ultrafini, mentre alle Aelmoeseneie è prevalsa la deposizione. Le ragioni di questo diverso comportamento sono rimaste poco chiare. Tuttavia, ci sono indicazioni che a Bosco Fontana le emissioni possano essere legate a processi stomatici, poiché l'evoluzione giornaliera dei flussi di particelle ultrafini ha seguito quella della conduttanza stomatica. Fattori ambientali come la stabilità atmosferica, la velocità di attrito e la temperatura hanno influenzato significativamente lo scambio verticale di particelle. In particolare, la velocità di attrito si è rivelata un descrittore efficace della velocità di trasferimento verticale del PM e ha suggerito lo sviluppo di una semplice relazione empirica per migliorare i modelli esistenti volti a prevedere la deposizione secca di PM sulle foreste di latifoglie. Questa relazione, derivata da un dataset di calibrazione delle misure effettuate a Bosco Fontana si è dimostrata in grado di riprodurre in modo soddisfacente la variazione diurna e l'entità dei flussi di PM osservati nello stesso sito (su un diverso dataset di validazione) e in un altro sito forestale (Aelmoeseneie).The negative effects of particulate matter (PM) on human health are widely recognised. Vegetation has been proposed as a possible solution to mitigate air pollution, given the large areas that trees can offer for PM deposition with their leaves. However, once deposited, the particles cannot be considered removed, but can undergo different fates. They can be resuspended in the air, encapsulated in leaves waxes, dissolved into water films or washed-off by precipitation. For their part, forests can also be sources of PM, as they can release both primary PM and gaseous precursors of secondary PM into the atmosphere. A complete understanding of these processes is still lacking. Given the uncertainty associated with forest-atmosphere particle exchange, the present work was aimed at improving understanding of the aforementioned dynamic processes. The research activity was carried out in two deciduous forests located in two different climatic zones with different pollution sources, the Natural reserve of Bosco Fontana (Marmirolo, Italy) and the Aelmoeseneie forest (Gontrode, Belgium). The performed flux measurements showed a concordance between the two sites in identifying a net deposition of fine particles (100 nm< dp< 1000 nm) in the growing season, drawing for the Bosco Fontana site an exponential dependence relationship between the transfer velocity of PM and the leaf area index (LAI). In contrast, an opposite behaviour was found between the two forests regarding ultrafine particles (dp< 100 nm): emission of ultrafine particles prevailed at Bosco Fontana and deposition prevailed at Aelmoeseneie. The reasons for this different behaviour remained unclear. However, there are indications that at Bosco Fontana the emissions may be linked to stomatal processes, as the daily evolution of the fluxes of ultrafine particles followed that of the stomatal conductance. Environmental factors such as atmospheric stability, friction velocity and temperature significantly influenced the vertical exchange of particles. In particular, the friction velocity proved to be an effective descriptor of the vertical transfer velocity of PM and suggested the development of a simple empirical relationship to improve existing models aimed at predicting dry deposition of PM on deciduous forests. This relationship, derived from a calibration dataset of the measurements taken at Bosco Fontana proved able to satisfactorily reproduce the diurnal variation and magnitude of the PM fluxes observed at the same site (on a different validation dataset) and at another forest site (Aelmoeseneie)
TIO2 - EMBEDDED AG NANOCRYSTALS WITH TUNABLE PLASMON RESONANCE
Full text linkRecenti progressi nell'ingegneria dei materiali hanno portato allo sviluppo di nuovi sistemi nanocompositi che sfruttano le interazioni luce-materia mediate dai plasmoni per migliorare in modo significativo i processi ottici, elettronici e catalitici. Questi materiali, che integrano nanostrutture plasmoniche con semiconduttori, dielettrici o materiali bidimensionali (2D), consentono un controllo senza precedenti sull'assorbimento della luce, la dinamica dei portatori di carica e il trasferimento di energia. Finora, l’efficacia delle strutture plasmoniche nel migliorare il campo elettrico locale è stata confermata da numerosi studi teorici, computazionali e sperimentali, portando a miglioramenti drastici in una varietà di processi di interazione luce-materia, tra cui fluorescenza, scattering Raman, generazione di calore, effetti fotoacustici, fotocatalisi e conversione dell’energia solare. Nonostante i significativi progressi nella fabbricazione di nanostrutture plasmoniche, esistono diverse limitazioni che ostacolano la scalabilità, la precisione e la riproducibilità delle tecniche di fabbricazione comunemente utilizzate. Le tecniche di nanolitografia, come la litografia a fascio di elettroni e la nanoimprint lithography, ad esempio, offrono un'elevata risoluzione spaziale e architetture ben definite, ma sono limitate da alti costi, basse rese e difficoltà nella modellazione su larga scala. D’altra parte, i metodi di sintesi chimica, come la sintesi colloidale, offrono rese più elevate, ma spesso mancano di un controllo preciso su dimensione, forma e composizione delle nanostrutture. Inoltre, la sintesi chimica prevede spesso l’impiego di leganti organici o tensioattivi che possono introdurre contaminazioni superficiali, alterando le caratteristiche chimico-fisiche desiderate del materiale. Molti metodi di sintesi, inoltre, si basano su reagenti e solventi pericolosi, sollevando preoccupazioni ambientali e di sicurezza, in particolare per la produzione su larga scala. L'obiettivo di questo lavoro è indagare il potenziale e le limitazioni dell’annealing post-deposizione come metodo per modulare le proprietà ottiche e morfologiche di un nanocomposito plasmonico molto significativo, Ag/TiO2, depositato tramite Supersonic Cluster Beam Deposition (SCBD) su substrati di silica e zaffiro. La SCBD è una tecnica sostenibile e ad alto rendimento che consente un elevato controllo sulla composizione del materiale bersaglio. Poiché il materiale di partenza è composto da cluster, i film di Ag/TiO2 depositati mediante SCBD presentano nanoparticelle di Ag molto piccole e finemente disperse, incorporate in una matrice di TiO2, fornendo il punto di partenza ideale per l’annealing termico. Inoltre, poiché la deposizione delle nanoparticelle è di tipo balistico, è possibile depositare film con le stesse proprietà su diversi substrati, permettendo una comprensione più approfondita delle interazioni film-substrato. In questo lavoro affrontiamo il ruolo del substrato durante l’annealing, evidenziando come l’utilizzo di substrati differenti possa guidare l’evoluzione della morfologia del film e delle proprietà ottiche in direzioni profondamente diverse. Mostriamo inoltre come la combinazione tra annealing in fornace e il riscaldamento fototermico indotto dalla luce consenta di modulare la dimensione e la distribuzione delle nanoparticelle di Ag all'interno del materiale su un'ampia gamma di configurazioni, aprendo nuove potenziali applicazioni per il materiale. Infine, esploriamo la viabilità dell’ Ag/TiO2 descritto finora nella fabbricazione di nuovi substrati plasmonici per microscopia a fluorescenza a super risoluzione, in particolare la Localized Plasmonic Structured Illumination Microscopy (LPSIM). A tal fine, definiamo inizialmente una funzione dielettrica efficace per il nostro materiale, utilizzando il modello multioscillatore di Drude-Lorentz e l’effective medium approximation di Bruggeman. Successivamente, eseguiamo simulazioni di modellazione ad elementi finiti in COMSOL per garantire che il comportamento del campo elettrico generato dalle nanostrutture soddisfi i requisiti della LPSIM convenzionale. Infine, presentiamo un metodo di fabbricazione per tali nanostrutture, che prevede il patterning mediante litografia a fascio di elettroni (EBL) delle nanostrutture desiderate e la deposizione del nanocomposito a base di cluster Ag/TiO2 tramite SCBD.Recent advancements in materials engineering have led to the development of novel composite systems that exploit plasmon-enhanced light matter interactions to significantly improve optical, electronical, and catalytic processes. These materials, which integrate plasmonic nanostructures with semiconductors, dielectrics, or 2D materials, enable unprecedented control over light absorption, charge carrier dynamics, and energy transfer. So far, the effectiveness of plasmonic structures in enhancing the local electric field has been confirmed by several theoretical, computational and experimental studies, and has brought drastic enhancements in a variety of light-matter interaction processes including fluorescence, Raman scattering, heat generation, photoacoustic effects, photocatalysis and solar energy conversion. Despite significant progress in the fabrication of plasmonic nanostructures, there are several limitations that hinder the scalability, precision and reproducibility of commonly used fabrication techniques. Nanolithography techniques such as electron beam lithography and nanoimprint lithography, for example, provide high spatial resolution and well-defined architectures, but are constrained by high costs, low throughputs, and challenges in large-area patterning. On the other hand, chemical synthesis methods such as colloidal synthesis offer higher throughput, but often lack a precise control over the size, shape and composition of the nanostructures. Additionally, chemical synthesis often involves organic ligands or surfactants that can introduce surface contamination, altering the intended physicochemical characteristics of the material. Furthermore, many synthesis methods rely on hazardous reagents and solvents, raising environmental and safety concerns, particularly for large-scale production. The goal of this work is to investigate the potential and limitations of post-deposition annealing as a way to tune the optical and morphological properties of a paradigmatic plasmonic nanocomposite, Ag/TiO2, deposited by supersonic cluster beam synthesis (SCBD) on silica and sapphire. SCBD is a sustainable, high-throughput technique with high control over the composition of the target material. Due to the cluster-based nature of the technique, Ag/TiO2 films deposited by SCBD exhibit very small and finely dispersed Ag nanoparticles embedded in a TiO2 matrix, providing the perfect starting point for annealing treatments. Furthermore, since the nanoparticle deposition is ballistic in nature, films with the same properties can be deposited on different substrates, allowing a deeper understanding of filmsubstrate interactions. We address the role of the substrate during thermal annealing, outlining how using different substrates can steer the evolution of the film morphology and optical properties in drastically different directions. Furthermore, we show how the combination of conventional oven annealing and light-induced photothermal melting allow us to tune the size and distribution of the Ag nanoparticles inside the material over a wide range of configurations, opening new potential applications for the material. Finally, we investigate the viability of the Ag/TiO2 nanostructured material described so far in the fabrication of novel plasmon-based substrates for superresolution fluorescence microscopy, plasmonic structured illumination microscopy (LPSIM). To do so, we first define an effective dielectric function for our material, using the Drude-Lorentz multioscillator model and Bruggeman’s effective medium approximation. Then, we perform finite-element modeling simulations in COMSOL to ensure that the behavior of the electric field generated by the nanostructures satisfies the requirements of conventional LPSIM. Finally, we show a fabrication method for said nanostructures, which involves electron beam lithography (EBL) patterning of the desired nanostructures and SCBD deposition of the Ag/TiO2 cluster-based nanocomposite
DEVELOPMENTS IN HOLOGRAPHIC COMPLEXITY AND QUANTUM INFORMATION
No full textNel contesto olografico, si ritiene che la complessità catturi l’interno di buchi
neri, superando i limiti dell’entropia di entanglement. Questa tesi discute l’interrelazione tra le due quantità, trattando aspetti della complessità negli
ambiti dell’informazione quantistica e dell’olografia.
La complessità quantifica la difficoltà nell’implementare un operatore o preparare
uno stato tramite operazioni elementari. Considerevole arbitrarietà emerge
dall’identificazione di operazioni con elevato costo computazionale. Per un
sistema di n qubit, rileviamo una scelta compatibile con un comportamento
caotico della complessità di operatori, richiesto per mimare l’interno di buchi
neri. Analizziamo poi la relazione tra complessità di operatori e stati mediante
il formalismo delle sommersioni Riemanniane.
Diversi candidati sono stati proposti come duale della complessità di stati:
il volume, l’azione gravitazionale, e il volume di spaziotempo di opportune
regioni. Specializzandoci su sottosistemi, esploriamo le congetture in varie
configurazioni statiche, deducendo che la complessità per sottosistemi e l’entropia
di entanglement contengono differente informazione. La medesima conclusione
si applica ad un modello olografico di quench globale, per il quale la complessità
di volume per sottosistemi evolve in maniera non monotòna, contrariamente
all’entropia di entanglement.
Infine, studiamo un esempio di quench locale per cui l’entropia di entanglement
risulta sufficiente a discernere tra diverse realizzazioni olografiche.In the holographic framework, complexity is supposed to capture the interior of
black holes, overcoming the limitations of entanglement entropy. This thesis
debates the interplay between the two quantities, covering complexity aspects
in the quantum information and holographic realms.
Complexity quantifies the hardness of implementing an operator or preparing
a quantum state through elementary operations. Huge arbitrariness stems
from the identification of operations with high computational cost. For an
n-qubit system, we detect a choice compatible with exponential lower bounds
and chaotic behavior of operator complexity, as required to mimic black hole
interiors. Then, we analyze the relation between operator and state complexity
using the formalism of Riemannian submersions.
Several candidates have been proposed for the dual of state complexity: the
volume, the gravitational action, and the spacetime volume of proper bulk
regions. Specializing to subsystems, we explore the conjectures in various static
settings, finding that subsystem complexity and entanglement entropy contain
different information. The same conclusion holds for a holographic global
quench, during which subsystem volume complexity evolves non-monotonically
in time, contrary to entanglement entropy.
Finally, we study an example of local quench in which entanglement entropy
suffices to discern between diverse holographic realizations
NOVEL SCHEMES FOR ULTRAFAST MANIPULATION OF QUANTUM MATERIALS
No full textLa possibilità di controllare le proprietà elettroniche on-demand su una scala di tempo ultraveloce rappresenta una delle sfide più intriganti verso la realizzazione di dispositivi fotonici ed elettronici di nuova generazione. Stimolata da questo, negli ultimi decenni la ricerca scientifica ha concentrato la propria attenzione su diverse piattaforme a stato solido. Tra tutte, nanostrutture dielettriche (e metamateriali) e materiali correlati si presentano come i più promettenti candidati per la realizzazione di dispositivi dotati di nuove funzionalità. Al di là delle caratteristiche specifiche che rendono i dielettrici più adatti ad applicazioni in fotonica e i materiali correlati ai dispositivi elettronici, entrambe le categorie manifestano nuove funzionalità se soggetti ad uno stimolo esterno sotto forma di impulsi di luce con durata più breve della scala di tempo caratteristica del rilassamento dei gradi di libertà interni al sistema. Infatti, lo stato fuori equilibrio raggiunto a seguito di una foto-eccitazione presenta proprietà elettroniche ed ottiche di gran lunga differenti da quelle all'equilibrio. Pertanto, l'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nello sviluppo di nuovi metodi ed approcci sperimentali in grado di indurre, misurare e controllare nuove funzionalità in materiali complessi su una scala di tempo ultraveloce.The possibility to control the electronic properties on-demand on an ultrafast time scale represents one of the most exciting challenges towards the realization of new generation photonic and electronic devices. Triggered by this, in the last decades the research activity focused its attention to different solid-state platforms. Among all, dielectric nanostructures (and metamaterials) and correlated materials represent the most promising candidate for the implementation of devices endowed by new functionalities. Apart from the specific features making dielectrics more suitable for photonic applications and correlated materials for electronic devices, both categories exhibit new functionalities if subjected to an external stimulus in the form of excitation light pulses shorter than the relaxation timescale of the internal degrees of freedom of the system. Indeed, the out-of-equilibrium state achieved upon photoexcitation exhibits electronic and optical properties highly different from those at equilibrium. Therefore, the aim of this thesis work consists in the development of new methods and experimental approaches capable to induce, measure, and control new functionalities in complex materials on an ultrafast time scale
COOPERATIVE EFFECTS IN QUANTUM SYSTEMS: SUPERRADIANCE AND LONG-RANGE INTERACTIONS
No full textQuesta tesi di dottorato studia l’interazione della cooperatività con il rumore in sistemi realistici, focalizzandosi principalmente sulla superradianza. Gli effetti cooperativi emergono dall’interazione collettiva di un insieme di elementi con un campo esterno. Esempi degni di nota sono la superconduttività, dove le coppie di Cooper elettroniche interagiscono con le vibrazioni reticolari, le eccitazioni di plasma, che sorgono dall'interazione collettiva degli elettroni in un metallo con il campo coulombiano, e la superradianza, ovvero quel processo di emissione spontanea cooperativa che sorge da un aggregato di emettitori identici. Gli effetti cooperativi sono tipicamente robusti al disordine e al rumore, cosa che li rende interessanti per delle applicazioni a dispositivi quantistici che possano operare a temperatura ambiente. In questo lavoro, inizialmente, introduciamo un formalismo di “master equations” che descrive l’accoppiamento collettivo di un aggregato di emettitori/assorbitori con il campo elettromagnetico, valido quando le dimensioni dell'aggregato sono sia maggiori che minori della lunghezza d’onda emessa/assorbita. Inoltre, il formalismo è valido per accoppiamento sia debole che forte con il campo elettromagnetico e, cosa più importante, permette di descrivere correttamente la superradianza in diversi regimi. In tale formalismo, studiamo l’interazione tra superradianza e rumore termico sia per nanotubi molecolari (di dimensioni minori della lunghezza d’onda associata alla transizione) che sono presenti nei complessi antenna fotosintetici dei Green Sulfur Bacteria, sia pure per superreticoli di quantum dots di nuova generazione, aventi dimensioni maggiori della lunghezza d’onda emessa. In entrambi i casi si dimostra che la coerenza può permanere in presenza di rumore termico alle temperature a cui questi sistemi sono stati analizzati sperimentalmente (temperatura ambiente per i nanotubi molecolari, e 6 K per i superreticoli di quantum dots). Nello specifico, nei nanotubi molecolari mostriamo che la macroscopica delocalizzazione coerente delle eccitazioni a temperatura ambiente, che copre centinaia di molecole, può essere considerata un effetto emergente che origina dall’effetto combinato della specifica disposizione geometrica delle molecole e della presenza di accoppiamenti tra subunità del cilindro, incrementati dagli effetti cooperativi. Questi risultati aprono la strada a nuovi modi per ingegnerizzare dei “quantum wires” robusti al rumore grazie alla cooperatività. Inoltre, la presente analisi di sistemi allo stato solido basati su superreticoli di “quantum dots” di perovskite (CsPbBr3) fornisce una base teorica in grado di comprendere recenti osservazioni di emissione superradiante. Sulla base della nostra teoria, suggeriamo che futuri esperimenti dove si utilizzino quantum dots più piccoli, potrebbe aumentare significativamente la robustezza del sistema al rumore termico, aprendo la strada verso la superradianza a temperatura ambiente in sistemi allo stato solido. Si considerano anche i complessi antenna dei Purple Bacteria, dove è ben risaputo che gli effetti cooperativi incrementano il trasferimento e l’accumulo di eccitazioni generate dalla luce assorbita. Mostriamo come queste proprietà possono essere sfruttate per creare un laser ispirato a sistemi biologici e basato su aggregati molecolari, dove la luce solare, benché debole, sarebbe utilizzata come sorgente di pompaggio. Il trasferimento efficiente di energia dentro questo sistema, all’atto pratico, focalizzerebbe l’eccitazione assorbita in direzione di un dimero molecolare, composto da una coppia di molecole interagenti, opportunamente scelte. L’orientazione dei momenti di dipolo di transizione in ciascun dimero è tale da concentrare tutta l’intensità del dipolo nel livello a più alta energia, lasciando lo stato eccitonico inferiore otticamente inattivo. Un dimero molecolare in tale configurazione, che è ideale per ottenere inversione di popolazione, è chiamato “H-dimer”. Tale H-dimer, nell’archittettura qui proposta per un laser ispirato a sistemi biologici, è posto al centro di un aggregato molecolare ispirato a sistemi biologici. Gli H-dimers, eccitati dagli aggregati molecolari circostanti, raggiungono inversione di popolazione e, dunque, possono emettere luce laser quando tali aggregati sono posti in una cavità ottica. Convertire l’energia incoerente fornita dal Sole in un fascio laser coerente supererebbe diverse limitazioni pratiche inerenti all’utilzzo della luce solare come sorgente di energia pulita. Per esempio, i fasci laser sono molto efficienti nell’avviare reazioni chimiche che convertono la luce solare in energia chimica. Inoltre, dal momento che i complessi fotosintetici batterici tendono ad operare nella regione spettrale del vicino infrarosso, la nostra proposta si presta in modo naturale a realizzare laser a infrarossi a corta lunghezza d’onda, i cui fasci viaggerebbero per lunghe distanze senza quasi perdere energia, quindi distribuendo in modo efficiente l’energia solare raccolta. Nella ricerca di un meccanismo comune alla cooperatività e alla sua robustezza, abbiamo confrontato il modello delle coppie di Cooper della superconduttività con la superradianza in singola eccitazione, mostrando molte somiglianze tra i due fenomeni: in particolare, i sistemi superradianti presentano una “gap” immaginaria nel piano complesso (ovvero, una segregazione tra i tempi di vita degli autostati del sistema) che, in modo simile alla gap superconduttiva, rende questi sistemi robusti al rumore statico. Più in generale, mostriamo che ogni interazione a lungo raggio tra i costituenti di un sistema induce effetti collettivi, manifestati da delle gap nello spettro eccitonico. Perciò, la nostra analisi successiva considera l’effetto delle interazioni a lungo raggio sul trasporto eccitonico lungo catene disordinate. Dimostriamo che la presenza di uno stato collettivo ben separato dagli altri stati influenza tutto lo spettro del sistema, generando dei regimi molto controintuitivi dove il trasporto è incrementato dal disordine o è indipendente da esso, e tali regimi si estendono su molti ordini di grandezza nell’intensità del disordine. Dimostriamo anche che una catena fortemente accoppiata a un modo del campo elettromagnetico in una cavità ottica è equivalente a una catena con interazione a lungo raggio, mostrandosi dunque molto promettente per esperimenti e applicazioni future. Nello specifico, mostriamo che catene molecolari realistiche, ioni intrappolati realizzati allo stato dell’arte e atomi di Rydberg sono tutti in grado di raggiungere l’intensità di interazione a lungo raggio tale per cui il trasporto sarebbe incrementato dal disordine o indipendente da esso, puntando alla realizzazione di un trasporto di energia senza dissipazione in “quantum wires” disordinati.This Ph.D. thesis studies the interplay of cooperativity and noise in realistic systems, largely focusing on superradiance. Cooperative effects emerge from the collective interaction of an ensemble of elements to an external field. Notable examples are superconductivity, where the electron Cooper pairs interact with the lattice vibrations, plasmon excitations, arising from the collective interaction of electrons in a metal with the Coulomb field, and superradiance, that is a cooperative spontaneous emission process stemming from an aggregate of identical emitters. Cooperative effects are typically robust to disorder and noise, making them interesting for applications to quantum devices operating at room temperature. In this work, we first present a general master equation formalism that describes the collective coupling of an aggregate of emitters/absorbers to the electromagnetic field, valid both when the size of the aggregate is larger or smaller than the emitted/absorbed wavelength. Also, the formalism is valid both for weak and strong coupling of the emitters to the electromagnetic field and, most importantly, it allows to correctly describe superradiance in different regimes. Within such formalism, the interplay of superradiance and thermal noise is studied both for molecular nanotubes (of size smaller than the transition wavelength) that are present in the antenna complexes of photosynthetic Green Sulfur Bacteria, and also for novel solid state quantum dot superlattices, having size larger than the emitted wavelength. In both cases it is shown that coherence can persist in presence of thermal noise at the temperatures where these systems have been experimentally analyzed (room temperature for molecular nanotubes, and 6 K for quantum dot superlattices). Specifically, in natural molecular nanotubes we show that the macroscopic coherent delocalization of the excitation at room temperature, covering hundreds of molecules, can be considered an emergent effect originating from the combined effect of the specific geometric disposition of the molecules and the presence of cooperatively enhanced couplings between cylinder subunits. These results open the path to new ways of engineering quantum wires robust to noise thanks to cooperativity. Moreover, our analysis of solid state systems based on perovskite (CsPbBr3) quantum dot superlattices provides a theoretical framework able to explain recent observations of superradiant emission. Based on our theory, we suggest that further experiments, using smaller quantum dots, could significantly increase the robustness of the system to thermal noise, paving the way towards room-temperature superradiance in solid-state systems. We also considered the antenna complexes of Purple Bacteria, where cooperative effects are well known to boost the transfer and storage of photo-absorbed excitations. We show how these properties can be exploited to create a bio-inspired molecular aggregate laser medium, where natural sunlight, although weak, would be used as a pumping source. The efficient energy transfer within this system would effectively focus the absorbed excitation on a suitably chosen molecular dimer, composed by a pair of interacting molecules. The orientation of the molecule transition dipole moment in each dimer is such to concentrate all the dipole strength in the highest energy level, leaving the lower excitonic state dark. A molecular dimer in such configuration, which is ideal to achieve population inversion, is called H-dimer. Such an H-dimer in our proposed architecture for a bio-inspired laser medium, is placed at the center of the bio-inspired molecular aggregates. The H-dimers, pumped by the surrounding molecular aggregates, reach population inversion and, therefore, can lase when such aggregates are placed in an optical cavity. Turning the incoherent energy supply provided by the Sun into a coherent laser beam would overcome several of the practical limitations inherent in using sunlight as a source of clean energy. For example, laser beams are highly effective at driving chemical reactions which convert sunlight into chemical energy. Further, since bacterial photosynthetic complexes tend to operate in the near-infrared spectral region, our proposal naturally lends itself for realising short-wavelength infrared lasers which would allow their beams to travel nearly losslessly over large distances, thus efficiently distributing the collected sunlight energy. In search of a common mechanism to cooperativity and its robustness, we have compared the Cooper pair model of superconductivity and single-excitation superradiance, showing many similarities between the two: in particular, superradiant systems present an imaginary gap in the complex plane (that is, a segregation between the lifetimes of the system eigenstates) that, similarly to the superconducting gap, makes these systems robust to static disorder. More in general, we show that any long-range interaction between the constituents of a system generates collective behaviours, manifested by gaps in the excitonic spectrum. Therefore, our further analysis considers the effect of long-range interactions on excitation transport along disordered chains. We show that the presence of a gapped, collective state affects the whole spectrum of the system, generating quite counter-intuitive disorder-enhanced and disorder-independent transport regimes, that extend over many orders of magnitude of the disorder strength. We also prove that a chain strongly coupled to a cavity mode is equivalent to a long-range interacting chain, thus being very promising for future experiments and applications. Specifically, we show that realistic molecular chains, state-of-the-art trapped ions and Rydberg atoms are all able to reach the needed long-range interaction strength that would show disorder-enhanced or disorder-independent transport, aiming to the realization of dissipationless transport of energy in disordered quantum wires
MANY-BODY TUNNELING EFFECTS IN NONSTANDARD HUBBARD MODELS
No full textThe standard Hubbard model, while effective in describing interacting many-body systems, has limitations in addressing long-range and complex interparticle interactions. Specifically, the Hubbard model assumes a single-band approximation, neglecting the role of multiple electronic bands that are often critical in real materials. It also focuses only on local on-site Coulomb repulsion, overlooking the longer-range interactions between electrons at different lattice sites. Additionally, the model simplifies electron hopping by assuming uniform tunneling between nearest neighbors, failing to capture the more intricate tunneling processes observed in many materials. These simplifications make the Hubbard model inadequate for describing systems exhibiting multi-orbital effects, nonlocal interactions, or spatially varying tunneling, thus highlighting the need for extensions that account for these complexities.
To address these limitations, nonstandard Hubbard Hamiltonians, incorporating additional terms such as density-induced tunneling and pair tunneling, were proposed long ago. These terms explicitly depend on Wannier functions, which describe electron localization within the system. The standard Hubbard model employs maximally localized Wannier functions, overlooking the full spatial extent of these functions, particularly their tails. In contrast, we show here that the nonstandard Hubbard terms are strongly influenced by these tails, which play a crucial role in generating long-range interactions that significantly impact the system's dynamics.
In this thesis, we present a novel treatment of Wannier functions, developing a perturbative approach that utilizes the barrier penetration coefficient as a perturbation parameter. With these newly defined Wannier functions, we are able to evaluate the nonstandard Hubbard terms and use them to re-derive the nonstandard Hubbard Hamiltonian. Our results demonstrate that enhanced long-range interparticle interactions can lead to a mechanism for repulsive particle pairing, driven by the suppression of single-particle tunneling due to density-induced tunneling. Contrary to predictions from the standard Hubbard model, this suppression does not lead to an insulating state. Instead, it allows the coherent motion of correlated electron pairs via pair tunneling, with these pairs remaining resistant to decay caused by single-electron tunneling transitions.
Using perturbative analytical approximations and extensive numerical simulations, we further investigate nonstandard Hubbard terms and their impact on many-body dynamics, with a particular focus on tunneling dynamics in arbitrary double-well potentials. Our results show that the influence of these nonstandard terms becomes increasingly significant as the interaction strength grows, underscoring their role in driving novel transport behaviors in strongly correlated systems.
These insights are particularly relevant for understanding materials like twisted bilayer graphene and systems undergoing metal-insulator transitions, where strongly correlated interactions are crucial. By validating our model through extensive numerical simulations and comparisons with experimental data, such as second-order tunneling in optical double-well potentials, we provide a more accurate framework for analyzing strongly correlated systems. This work not only enhances our understanding of these complex materials, but also opens new paths for the study of many-body physics.Il modello di Hubbard standard, pur essendo efficace nella descrizione di sistemi interagenti a molti corpi, presenta limitazioni nell'affrontare interazioni a lungo raggio e interazioni interparticellari complesse. In particolare, il modello di Hubbard assume un'approssimazione a banda singola, trascurando il ruolo delle bande elettroniche multiple, spesso critiche nei materiali reali. Inoltre, il modello si concentra solo sulla repulsione coulombiana locale, trascurando interazioni a più lungo raggio tra elettroni in siti reticolari diversi. Inoltre, il modello semplifica l'hopping elettronico ipotizzando un tunneling uniforme tra primi vicini, non riuscendo a cogliere i processi di tunneling più intricati osservati in molti materiali. Queste semplificazioni rendono il modello di Hubbard inadeguato a descrivere sistemi che presentano effetti multiorbitali, interazioni non locali o tunneling che varia nello spazio, evidenziando così la necessità di estensioni che tengano conto di queste complessità.
Per ovviare a queste limitazioni, già da tempo sono state proposte Hamiltoniane di Hubbard non standard, che incorporano termini aggiuntivi come il density-induced tunneling e il pair tunneling. Questi termini dipendono esplicitamente dalle funzioni di Wannier, che descrivono la localizzazione degli elettroni all'interno del sistema. Il modello di Hubbard standard impiega funzioni di Wannier massimamente localizzate, trascurando l'intera estensione spaziale di queste funzioni, in particolare le loro code. Al contrario, questa tesi dimostra che i termini di Hubbard non standard sono fortemente influenzati da queste code, che svolgono un ruolo cruciale nel generare interazioni a lungo raggio che influenzano in modo significativo la dinamica del sistema.
Questa tesi introduce un nuovo approccio alle funzioni di Wannier, sviluppando un approccio perturbativo che utilizza il coefficiente di penetrazione della barriera come parametro perturbativo. Con le funzioni di Wannier appena definite, siamo in grado di valutare i termini di Hubbard non standard e di utilizzarli per rideterminare l'Hamiltoniana di Hubbard non standard. I nostri risultati dimostrano che l'aumento dell'intensità delle interazioni interparticellari a lungo raggio può portare ad un meccanismo di accoppiamento repulsivo delle particelle, guidato dalla soppressione del tunneling di particella singola dovuto al density-induced tunneling. Contrariamente alle previsioni del modello di Hubbard standard, questa soppressione non porta a uno stato isolante. Al contrario, essa consente il movimento coerente di coppie di elettroni correlati tramite pair tunneling, con queste coppie che resistono al decadimento causato dalle transizioni di tunneling di singolo elettrone.
Utilizzando approssimazioni analitiche perturbative e ampie simulazioni numeriche, studiamo ulteriormente i termini di Hubbard non standard e il loro impatto sulla dinamica a molti corpi, con particolare attenzione alla dinamica di tunneling in potenziali arbitrari a doppia buca. I nostri risultati mostrano che l'influenza di questi termini non standard diventa sempre più significativa all'aumentare dell'intensità dell'interazione, sottolineando il loro ruolo nel determinare nuovi comportamenti di trasporto in sistemi fortemente correlati.
Queste intuizioni sono particolarmente importanti per la comprensione di materiali come il twisted bilayer graphene e i sistemi che subiscono transizioni metallo-isolante, dove le interazioni fortemente correlate sono cruciali. Convalidando il nostro modello attraverso ampie simulazioni numeriche e confronti con dati sperimentali, come il tunneling del secondo ordine in potenziali ottici a doppia buca, forniamo un quadro più accurato per analizzare i sistemi fortemente correlati. Questo lavoro di tesi non solo migliora la nostra comprensione di questi materiali complessi, ma apre anche nuove strade per lo studio della fisica a molti corpi
ONE, TWO, MANY NANOCRYSTALS: CHARACTERIZING LEAD HALIDE NANOSTRUCTURES FROM SINGLEPARTICELES TO BULK
No full textNegli ultimi decenni la chimica colloidale ha prodotto una crescente varietà di nanostrutture inorganiche con proprietà variegate e finemente regolabili, che possono essere ottimizzate per diverse applicazioni. Tuttavia, questa varietà complica la caratterizzazione strutturale dei nanomateriali, le cui piccole dimensioni e l’intrinseca complessità impongono limitazioni tecniche.
Questa Tesi ha come obiettivo quello di affrontare tali sfide proponendo nuovi approcci per caratterizzare e descrivere la struttura dei nanomateriali, approcci che sono qui applicati su nanostrutture di semiconduttori piombo-alogeno. Questi materiali sono molto studiati per le loro interessanti proprietà e per la diversità strutturale che esprimono alla nanoscala, e per questo offrono molti interrogativi scientifici. Sono qui discussi quattro casi studio, ciascuno caratterizzato da una crescente complessità.
I) La scoperta di nuovi calcoalogenuri di piombo sotto forma di nanocristalli è sfruttata per sperimentare strategie di soluzione strutturale per nanomateriali inorganici basate sull’utilizzo combinato di tecniche di diffrazione a raggi X ed elettroniche. Sono proposte linee guida per ogni fase del processo di soluzione strutturale, dalla determinazione della stechiometria, all’indicizzazione della cella, fino al raffinamento della struttura.
II) Viene discusso come le trasformazioni chimiche tra nanocristalli di alogenuri di piombo-cesio prevedano la formazione di dimeri epitassiali come intermedi di reazione, la cui formazione dipende da specifiche relazioni strutturali. Sulla base di questa scoperta, si dimostra che la formazione di eterostrutture epitassiali tra perovskiti e calcoalogenuri può essere sfruttata efficacemente per indirizzare la sintesi fase-selettiva di nanocristalli colloidali.
III) Viene proposto un nuovo metodo per caratterizzare la struttura di solidi formati da nanocristalli auto-assemblati, qui dimostrato su superreticoli di nanocristalli di perovskiti piombo-alogeno. Tale metodo si basa su tecniche di diffrazione sviluppate per film sottili multistrato cresciuti tramite metodi fisici, e sfrutta l'analisi di fenomeni di interferenza collettiva nella regione ad alti angoli del diffrattogramma a raggi X del campione.
IV) Campioni microcristallini di perovskiti Ruddlesden-Popper, che sono alogenuri ibridi composti da strati organici e inorganici nanoscopici ordinatamente impilati, sono studiati tramite un'analisi geometrica dei loro parametri di cella per determinare come alogenuri diversi si dispongano disomogeneamente all'interno della struttura cristallina del materiale.Over the past few decades colloidal chemistry has provided access to a growing variety of inorganic nanostructures with diverse and customizable properties, which can be tailored to many different applications. However, such diversity presents challenges when it comes to characterizing the structure of functional nanomaterials, where the small size and the increased complexity impose technical limitations.
This Thesis aims to address these challenges by developing novel approaches to characterize and describe the structure of nanomaterials, which are here demonstrated on lead halide semiconductor nanostructures. These materials are widely investigated for their appealing properties and the structural diversity they express at the nanoscale, and pose therefore a variety of compelling scientific questions. Here are discussed four case studies, each characterized by increasing nanoscale complexity.
I) Colloidal nanocrystals of previously unknown lead chalcohalide phases are used to demonstrate strategies for solving the structure of novel inorganic materials by means of combined electron and X-ray diffraction techniques. Guidelines are proposed for each step of the structure solution process, from the stoichiometry determination to the cell indexation and the final structure refinement.
II) Epitaxial dimers formed by cesium lead halide compounds are rationalized as reaction intermediates in the chemical transformation of colloidal nanocrystals, and the structural relationships enabling their formation are explored. Following this lead, perovskite/chalcohalide heterostructures are demonstrated as effective templates for the phase-selective synthesis of colloidal nanocrystals.
III) Superlattices of lead halide perovskite nanocrystals are used to develop a novel approach for characterizing the nanoscale structure of self-assembled nanocrystal solids. This method is based on diffraction techniques developed for multilayer thin films grown by physical methods, and relies on the analysis of collective interference phenomena in the wide-angle X-ray diffraction pattern of samples.
IV) Microcrystalline samples of hybrid layered Ruddlesden-Popper perovskites, composed by nanoscale stacks of organic and inorganic layers, are investigated through a geometric analysis of their unit cell parameters to determine the inhomogeneous distribution of different halides alloyed within their structure
MOTT MATERIALS OUT-OF-EQUILIBRIUM: FROM QUANTUM SIMULATIONS TO CONTROL
Full text linkPhase transitions and competing orders in strongly correlated materials emerge from the delicate interplay of many interacting degrees of freedom (including charge, spin, and lattice). This intricate interplay makes these systems highly sensitive to external perturbations, making strongly correlated materials ideal for developing novel technologies and devices leveraging emergent phenomena. Their richness and technological potential, however, are counterbalanced by an inherent complexity originating from the strong intertwining of many degrees of freedom.
In the first part of this thesis, we study non-equilibrium phases in prototypical Mott insulators (LaVO3 and V2O3) induced by means of ultrashort light pulses or application of current, with the aim of tackling open challenges in developing strategies for controlling quantum materials.
When light excitations are employed, quantum coherence could be exploited to achieve enhanced functionalities and ultrafast and reversible manipulation of material properties. The light-induced excitonic population and decoherence dynamics is investigated in LaVO3, where long-range orders in the orbital and spin degrees of freedom strongly influence optical excitations and the evolution of excitonic states. By means of broadband pump-probe and two-dimensional electronic spectroscopy (2DES), we study how the interactions of the LaVO3 excitonic resonance with the ordered background influence the exciton spectral linewidth and decoherence time.
When current is instead employed to control the phase of Mott materials, resistive switching - a sudden drop in resistance caused by a transition from an insulating to a metallic state - can take place. By combining transport measurements with Photo-Electron Emission Microscopy, we image the resistive switching process in V2O3 at the nanoscale. On this length scale, V2O3 displays spatial inhomogeneities resulting from the breaking of the crystal symmetry upon transitioning from the high-temperature metallic phase to the low-temperature insulating one. This experiment provides novel insights into the nature and mechanisms of resistive switching, as well as the role of the nanometric texture of the material, suggesting novel viable routes to control the current-induced insulator-metal transition.
The second part of the thesis is dedicated to the quantum simulation of the physics of strongly correlated materials using artificial platforms. This approach aims to overcome the inherent complexity of quantum materials by employing systems where the phenomena typical of correlated systems can take place in a controlled way, with the relevant parameters that can be tuned on demand. We introduce synthetic lattices composed of lead halide perovskite nanocubes, which we propose as a suitable novel platform for quantum simulations. Pump-probe experiments on CsPbBr3 nanocube superlattices reveal the emergence of several phases relevant for strongly correlated materials (collective superradiant state, exciton gas and electron-hole liquid phases) that can be accessed upon controlling the excitation intensity, thus making the system a suitable platform for the investigation of long-range ordered phases in systems displaying insulator-metal Mott transitions. Nanocube superlattices of the hybrid organic-inorganic compound CH(NH2)2PbI3 are also investigated; 2DES is employed to trace the evolution of optical excitons in this artificial lattice, measure their decoherence time and address how the decoherence process is affected by the structural phase transition taking place in the system.In materiali fortemente correlati, transizioni di fase e la presenza ordini in competizione risultano dal delicato equilibrio tra molteplici gradi di libertà interagenti (tra cui carica, spin e reticolo). Questo complesso intreccio di interazioni rende tali sistemi altamente sensibili a perturbazioni esterne, rendendo i materiali fortemente correlati ideali per lo sviluppo di nuove tecnologie e dispositivi che sfruttano fenomeni emergenti. Tuttavia, la loro ricchezza e il loro potenziale tecnologico sono controbilanciati da una complessità intrinseca dovuta all'interazione tra i molti gradi di libertà.
Nella prima parte di questa tesi, studiamo fasi fuori equilibrio in isolanti di Mott prototipici (LaVO3 e V2O3) indotte mediante impulsi ultracorti di luce o applicazione di corrente, con l’obiettivo di affrontare problemi aperti nello sviluppo di strategie per il controllo dei materiali quantistici.
Quando si utilizzano impulsi di luce come eccitazione, la coerenza quantistica può essere sfruttata per ottenere funzionalità avanzate e una manipolazione ultrarapida e reversibile delle proprietà dei materiali. Le dinamiche della popolazione eccitonica indotta dalla luce e la sua decoerenza sono studiate in LaVO3, dove ordini a lungo raggio nei gradi di libertà orbitali e di spin influenzano fortemente le eccitazioni ottiche e l'evoluzione degli stati eccitonici. Tramite spettroscopia pump-probe e spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES), studiamo come le interazioni della risonanza eccitonica di LaVO3 con l’ordine magnetico e orbitale influenzino la larghezza spettrale degli eccitoni e i tempi di decoerenza.
Quando invece si utilizza la corrente per controllare la fase dei materiali di Mott, può verificarsi il resistive switching, ovvero una rapida diminuzione della resistenza causata da una transizione dallo stato isolante a quello metallico. Combinando misure di trasporto e microscopia di emissione fotoelettrica (PEEM), abbiamo osservato il processo di resistive switching in V2O3 su scala nanometrica. Su questa scala spaziale, il V2O3 presenta inomogeneità spaziali derivanti dalla rottura della simmetria cristallina durante la transizione dalla fase metallica ad alta temperatura alla fase isolante a bassa temperatura. Questo esperimento offre nuove informazioni sulla natura e i meccanismi del resistive switching, oltre a evidenziare il ruolo della texture nanometrica del materiale, suggerendo nuove strategie per controllare la transizione isolante-metallo indotta dalla corrente.
La seconda parte della tesi è dedicata alla simulazione quantistica della fisica dei materiali fortemente correlati utilizzando piattaforme artificiali. Questo approccio mira a superare la complessità intrinseca dei materiali quantistici impiegando sistemi nei quali i fenomeni tipici dei sistemi correlati possono verificarsi in modo controllato, con i parametri rilevanti regolabili a piacimento. In questo lavoro, introduciamo reticoli sintetici composti da nanocubi di perovskiti, che proponiamo come nuova piattaforma per simulazioni quantistiche. Esperimenti pump-probe su superreticoli di nanocubi di CsPbBr3 rivelano l’emergere di diverse fasi rilevanti per i materiali fortemente correlati (stato collettivo superradiante, gas di eccitoni e liquido di elettroni e buche) accessibili controllando l’intensità dell’eccitazione, rendendo così il sistema una piattaforma idonea per l’indagine di fasi ordinate a lungo raggio in sistemi che presentano transizioni isolante-metallico di Mott. Anche i superreticoli di nanocubi del composto ibrido organico-inorganico CH(NH2)2PbI3 sono stati investigati; la spettroscopia bidimensionale 2DES è stata utilizzata per tracciare l’evoluzione degli eccitoni ottici in questo reticolo artificiale, misurare il loro tempo di decoerenza e analizzare come il processo di decoerenza sia influenzato dalla transizione di fase strutturale del sistema
DEVELOPMENT OF NANOSTRUCTURED CARBON-BASED PLATFORMS FOR ADVANCED GAS SENSING
No full textTra le applicazioni all'avanguardia di materiali a base di carbonio nanostrutturato, come grafene e nanotubi di carbonio (CNTs), l'analisi del respiro (i.e. breathomics), il monitoraggio ambientale e l'industria alimentare stanno oggigiorno sfidando la fisica, la chimica e l’ingegneria dei materiali a sviluppare piattaforme di sensori estremamente sensibili, affidabili e stabili, che siano in grado di rilevare piccolissime quantità (ordine dei ppb) di molecole di gas nell’ambiente che le circonda. In questa tesi, verrà presentato lo sviluppo di 6 piattaforme di sensori di gas. Queste piattaforme saranno sviluppate con carbonio nanostrutturato e avranno come scopo principale quello di discriminare potenziali patologie attraverso il riconoscimento di pattern molecolari presenti nel respiro esalato, nonché la loro possibile applicazione nel monitoraggio ambientale degli inquinanti e nell’industria alimentare.
Questo obbiettivo verrà realizzato sviluppando dapprima piattaforme a base di CNTs su un substrato di plastica o su silicio/ossido di silicio e successivamente a base di grafene su nitruro di silicio.
Verranno esplorati diversi metodi di funzionalizzazione sia per i CNTs che per il grafene, per aumentarne la sensitività, e verranno utilizzati diversi materiali per la funzionalizzazione, incluse nanoparticelle, molecole organiche o sali di diazonio.
Tecniche di spettroscopie Raman ed elettroniche unitamente a microscopia a forza atomica verranno utilizzare per caratterizzare i campioni, mentre le esposizioni di gas verranno effettuate in aria, condizione più simile a quella delle applicazioni finali dei sensori, cercando di indagare concentrazioni dei gas selezionati nel sub-ppm o di poche decine di ppm. L’analisi delle componenti principali (PCA) verrà utilizzata per testare le capacità di discriminazione dei gas delle piattaforme sviluppate.
Infine, uno dei nasi elettronici sviluppati verrà testato con il respiro esalato di soggetti sani o affetti da broncopneumopatie cronico ostruttive (COPD), dimostrando un’ottima capacità di discriminare e riconoscere le due classi di pazienti.Among forefront applications of nanostructured carbon materials such as graphene and nanotubes, breathomics, environmental monitoring and food industry are challenging physics, chemistry and device engineering to develop extremely sensitive, selective, and stable platform to recognize ppb amount of target molecules in the environment.
In this thesis, the development of 6 platforms will be presented. The platforms are based on nanostructured carbon aimed mostly to discriminate potential pathologies through pattern recognition in molecular fingerprint of breath samples, but also for environmental monitoring or food industry applications. This objective will be realized through properly developed devices based first on CNTs on a plastic substrate or on silicon/silicon oxide substrate and then on graphene on silicon nitride. Different kinds of functionalization techniques of graphene and CNTs will be explored to enhance the sensitivity of the pristine layers, as well as different functionalization materials, going from nanoparticles to organic molecules or diazonium salt precursors.
The characterization of the materials involves electron and Raman spectroscopies, as well as atomic force microscopy, while gas exposures are carried out in the lab environment, which is much closer to the destination of the developed sensors, trying to investigate a low-ppm range or sub-ppm range of the considered gases. The gas discrimination is assessed through principal component analysis (PCA).
Finally, one of the developed devices is exposed to the exhaled breath of healthy subjects or patients affected by chronic obstructive pulmonary diseases (COPD), demonstrating a remarkable capability to discriminate between healthy and sick patients
Advanced nanocomposites for photocatalytic degradation of organic pollutants in water
No full textL'inquinamento è uno dei problemi maggiri della nostra società. In particolar modo, l'inquinamneto relativo all'acqua sta diventando sempre più consistente considerando la cresita esponenziale del fabbisogno mondiale. Si stima che nel 2050 la domanda di acqua cresca fino al 50%. In questo scenario è necessario trovare una soluzione a tale problema. in questa tesi viene proposto un metodo innovativo per la fabbricazione di materiali polimerici additivati con nanoparticelle che sono in grado di degradadare inquinanti organici in acqua atterevro il processo della fotocatalisi. Questo metodo permette di degradare direttamente la sostanza inquinante in acqua, ovviando a diversi problemi relativi ai costi e al recupero post-trattamento del materiale utilizzato per la decontaminazione.Water plays a vital role in sustain life on earth. However, the quality of the water resources is seriously affected by the pollution caused by industrial, municipal and agricultural activities. To remediate the toxic organic and inorganic contaminants in water, several physical, chemical and biological water treatment methods are employed. However, current water treatment technologies present limited performance, materials of high cost, and need highly energy consuming infrastructure. In this scenario, the utilization of advanced materials and innovative methods could be helpful for reducing the cost and enhancing the performance of the wastewater treatment. One of most promising method is the Advanced Oxidation Processes (AOPs). The AOPs use semiconductor materials that are activated by the UV or Visible light irradiation that are able to mineralize organic water pollutants. Currently, commercial available photocatalysts are mostly used in slurry or powder form, but this requires post-treatment processes in order to avoid secondary pollution, causing the increase of the overall treatment cost. To face up such limitation and to resolve problems related to the post-treatment process, the immobilization of the photocatalysts on solid compact matrices is a feasible solution. In particular, the use of polymeric matrices as host solid materials may result in a final system that combines the photocatalytic properties of the semiconductor component with the mechanical properties, usability and cost-effectiveness of the polymers
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