Thèses sur le sujet « SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA »

2010/2011
Cantilever sensors have been the subject of growing attention in the last decades and their use as mass detectors proved with attogram sensitivity. The rush towards the detection of mass of few molecules pushed the development of more sensitive devices, which have been pursued mainly through downscaling of the cantilever-based devices. In the field of mass sensing, the performance of microcantilever sensors could be increased by using an array of mechanically coupled micro cantilevers of identical size. In this thesis, we propose three mechanically coupled identical cantilevers, having three localized frequency modes with well-defined symmetry. We measure the oscillation amplitudes of all three cantilevers. We use finite element analysis to investigate the coupling effect on the performance of the system, in particular its mass response. We fabricated prototype micron-sized devices, showing that the mass sensitivity of a triple coupled cantilever (TCC) system is comparable to that of a single resonator. Coupled cantilevers offer several advantages over single cantilevers, including less stringent vacuum requirements for operation, mass localization, insensitivity to surface stress and to distributed a-specific adsorption. We measure the known masses of silica beads of 1µm and 4µm in diameter using TCC. As it is difficult to obtain one single bead at the free end of the cantilevers, we choose to use the Focused Ion Beam. By sequential removing mass from one cantilever in precise sequence, we proved that TCC is also unaffected from a-specific adsorption as is, on the contrary, the case of single resonator. Finally, we proposed shown the use of TCC can be as micromechanical transistor device. We implemented an actuation strategy based on dielectric gradient force which enabled a separate actuation and control of oscillation amplitude, thus realizing a gating effect suitable to be applied for logic operation.
XXIV Ciclo
1980

2010/2011
In this thesis, we have studied the ISM, QSO, LGRB hosts and LBGs by galactic chemical evolution and spectro-photometric models. We also tested the so-called mono- lithic scenario of elliptical galaxies formation. Here we present the main results of this work: 1. The star formation history is the main driver of galaxy evolution. The predictions of elliptical chemical evolution models with the so-called monolithic scenario of elliptical galaxies formation are consistent with the data of high redshift LBGs and QSOs. Both the infall and the star formation timescale are suggested to decrease with galactic mass. This scenario is confirmed by the spectro-photometric models by reproducing the average SED of MIPS-LBGs. This so-called “ downsizing” of SFH is consistent with many observations. 2. Our M = 1012M⊙ elliptical model can reproduce super-massive BH mass, stellar mass, gas mass and dust mass of one of the most distant QSO ever observed J1148+5251 (z ≃ 6.4). The same model can also reproduce [N/C] versus [C/H] and [Si/C] versus [C/H] of the NLRs in QSO hosts. The very high C abundance observed in these QSOs can be explained only by assuming yields with mass loss from massive stars with a strong dependence on metallicity, as those of Maeder (1992) 3. Our elliptical models suggested the LBGs at hight redshift are likely to be young (age < 0.6 Gyr) ellipticals. This picture is consist with the results of spectro- photometric models. By chemical evolution models, we found that, LBGs in A- MAZE and LSD samples, CB 58, Clone and Cosmic Horseshoe are of intermediate mass(1010 − 3 · 1010M⊙). Our elliptical model for 3 · 1010M⊙ well reproduces the [O/H] abundance as a function of redshift for these LBGs. By spectro-photometric models, we found that theMIPS-LBGs are more massive (∼ 1011M⊙). Our spectro- photometric models for 1011M⊙ well reproduce the average SED of MIPS-LBGs. 4. Our elliptical models suggested that if the observed high-redshift LGRB-DLAs and local LGRB host galaxies belonged to an evolutionary sequence, they should be irregulars with a common galaxy-formation redshift as high as zf = 10, observed at different phases of their evolution. We cannot exclude, however, that they correspond to the outermost regions of spiral disks, since their properties are similar to those of irregulars. Elliptical galaxies cannot be LGRB host galaxies at low 111 redshift and that they are very unlikely hosts of LGRB-DLAs even at high redshift, because of their rapid chemical enrichment at high redshift following the occurrence of a galactic wind several Gyrs ago and subsequent passive evolution. 5. Our elliptical models suggested that a dust mass-stellar mass relation exists, with more massive galaxies attaining a higher dust content at earlier time. The dust evolution in ISM make the main contribution for the large amount of dust in high redshift QSOs. QSO itself produced dust but this production appears negligible compared to that from stellar sources, unless one focuses on the very central regions at times very close to the galactic wind onset. 6. The dust mass estimation in the average MIPS-LBGs based on the combination of our elliptical models and spectro-photometric models is not consistent with the one based on simple temperature grey-body fitting. The Milky Way dust parameters can not reproduce the average SED of MIPS-LBGs with the SFHs from chemical evolution models. The more dense dusty environments and flatter dust size distributions are needed to reproduce the average SED of MIPS-LBGs with these SFHs. 7. IGIMF of starburst galaxies can improve the [α/Fe] ratios, however it still can- not solve the discrepancy between predictions and data. Dust effect is the most plausible solution.
XXIV Ciclo
1981

2012/2013
This thesis describes the study of the isotopes of hydrogen and helium and of the boron and carbon nuclei in the cosmic radiation. New measurements of the fluxes of 1H, 2H, 3He, 4He, between 120 MeV/n and 900 MeV/n, and of the boron and carbon fluxes, between 400 MeV/n and 120 GeV/n, are presented at the top of the atmosphere. The measurements were made with the space-borne PAMELA experiment from July 2006 to March 2008, that is during a period of minimum solar activity and negative solar magnetic field polarity. Such measurements can help in achieving a more detailed knowledge of the physics of cosmic ray propagation inside the Galaxy, which is a key ingredient in interpreting cosmic ray origin, acceleration mechanism and the possible presence of new physics.
XXVI Ciclo
1986

2012/2013
The aim of the thesis work is the measurement of the associated production of a Z boson and b quarks with the 2012 collision data recorded by the CMS experiment at 8 TeV in proton-proton collisions at LHC. The importance of this physics process comes from the understanding of the perturbative Quantum Chromodynamics calculation schemes of the b quark content inside the proton and how this quark is extracted in the collision. Thus, the Z+b physics can be used for many relevant Standard Model measurements, such as the Z+b polarization asymmetry and the Higgs boson to b quarks background description. Nevertheless, many New Physics scenarios predict new particles decaying into Z+b or have enhanced Z+b cross sections, and for these reasons this process is considered as one of the most promising Standard Model final states to be used in searches at LHC. I have focused my attention on the development of the code needed to perform the analysis for the Z+b observables measured with the CMS data. First, I have built up the analysis framework for the selection of a Z boson decaying into muons and electrons, the jets characterization, and the implementation and study on the b-jets tagging. Then I have studied the various backgrounds and developed a strategy to extract the relative b-quark, c-quark and light flavour components from the Monte Carlo simulation by fitting the relative templates. A specific study on the estimation of the contamination of top quark pairs in the analysis has been done employing a data driven technique with an electron plus muon pairs final state with enhanced missing energy. In order to compare the results obtained in data with the different theoretical predictions of the b quark production in proton collisions, many unfolding techniques have been tested, and checks on the applied methods have been done using several Monte Carlo predictions. Finally, the evaluation of all the systematic sources of error has been quoted and added in the presentation of the final results. The differential cross sections of pp to Z+b process have been measured as a function of the leading b-jet momentum and pseudorapidity, the Z boson momentum, the angular difference between the Z boson and the leading b-jet, and the sum of all the jet momenta in the event. Then, the cross section ratio between the Z+b and the Z+jets processes has been calculated as a function of the observables mentioned above. All the results have been compared with the available theoretical calculations in perturbative Quantum Chromodynamics.
XXVI Ciclo
1987

2009/2010
In questa tesi viene descritta la ricerca del bosone di Higgs del Modello Standard nel canale di decadimento in coppie di leptoni τ , condotta al Tevatron in collisioni protonantiprotone ad un’energia nel centro di massa √s = 1.96 TeV. L’analisi si basa su circa 2.3 fb−1 di dati raccolti dall’esperimento Collider Detector at Fermilab (CDF) ed e' stata effettuata considerando i seguenti processi di produzione di segnale: WH(→ τ τ ), ZH(→ τ τ ), qHq’→qτ τq’ e gg→H→ τ τ . Gli eventi sono selezionati richiedendo un τ adronico ed un elettrone (o muone) isolato, quest’ultimo proveniente dal decadimento leptonico di uno dei due τ originari. In aggiunta, almeno un getto calorimetrico deve essere presente nello stato finale. Il numero di eventi di fondo attesi e' 921.8±48.9 nel canale con un unico getto e 159.4±11.6 nel canale con due o piu' getti calorimetrici, mentre gli eventi osservati sono rispettivamente 965 e 166. Per aumentare la sensitivita' dell’analisi si e' impiegato di un metodo multivariato, basato su un set di Boosted Decision Trees allenati per separare il segnale dalle principali sorgenti di fondo. I dati non mostrano alcuna evidenza di produzione di bosoni di Higgs, pertanto sono stati calcolati i limiti al 95% di Livello di Confidenza sulla sezione d’urto di produzione, relativamente ai valori previsti dal Modello Standard. I risultati sono presentati per diversi possibili della massa del bosone di Higgs, nell’intervallo compreso tra 100 GeV/c^2 e 150 GeV/c^2. Nell’ipotesi MH = 120 GeV/c^2 il limite osservato e' 27.2 volte superiore alla sezione d’urto predetta, mentre il corrispondente valore atteso e' 23.4+9.8 −6.4.
This thesis describes the search for the Standard Model Higgs boson decaying to tau lepton pairs, in the Tevatron proton-antiproton collisions at a center of mass energy √s = 1.96 TeV. The search is based on approximately 2.3 fb−1 of CDF Run II data and is performed by considering the following signal processes: WH(→ τ τ ), ZH(→ τ τ ), qHq’→qτ τq’ and gg→H→ τ τ . Events are selected by requiring an hadronic tau and one isolated electron or muon, coming from the leptonic decay of one of the two taus. In addition, at least one calorimeter jet must be present in the final state. We expect 921.8±48.9 background events in the 1 jet channel and 159.4±11.6 in the ≥ 2 jets channel, while in data we observe 965 and 166 events, respectively. In order to improve the search sensitivity we employ a multivariate technique, based on a set of Boosted Decision Trees trained to get the best separation between signal and the dominant sources of background. We observe no evidence for a Higgs boson signal and therefore we set a 95% confidence level (C.L.) upper limit on the cross section relative to the SM predictions (σ/σSM). Results are presented for the Higgs boson mass varying from MH = 100 GeV/c^2 to MH = 150 GeV/c^2. For the mass hypothesis of 120 GeV/c^2 the observed limit is 27.2, while the corresponding expected value is 23.4+9.8−6.4.
XXII Ciclo
1982

2013/2014
This work discusses how Bottom-quark physics at the Large Hadron Collider (LHC) can be used as a probe to hint to Beyond the Standard Model Physics from a phenomenological point of view. In this contest, the calculation of three observables is presented, all related to the production of one boson (Z, or a Higgs particle of Beyond the Standard Model nature) in association with a bottom-quark. The Polarization Asymmetry of the Z-boson produced in association with a b-quark is computed at Leading Order, using the 5-flavours number scheme, assuming it is measured at the LHC with a center of mass energy of 14 TeV. It is shown how this observable can be used for an accurate determination of the A_b parameter, measured at the Stanford Linear Collider (and, indirectly, at the Large Electron Positron), and known to be in tension with its Standard Model prediction: this strongly motivates its new, independent, determination at the LHC. As an estimate of the theoretical uncertainties affecting the prediction of the Polarization Asymmetry, this is re-computed varying both the renormalization/factorization scale and the Parton Density Function set, showing its strong stability against such effects. The Forward-Backward asymmetry of the b-quark produced in association with a leptonically decaying Z-boson, firstly defined by the candidate, is computed at LO in the 5-flavours number scheme. It is here shown that this observable inherits, from the Polarization Asymmetry of the Z-boson in the same process, stability under factorization/renormalization scale variations and PDF-set choice. For this observable, directly accessible by the LHC experimental collaborations, a complete feasibility study is presented in this work, simulating, with modern tools (MadGraph, PYTHIA, Delphes), both the showering/hadronization processes and the detector response, assuming a final integrated luminosity of 400 fb^-1 with 14 TeV in the center of mass of the colliding proton beams. This allows to determine, for the Forward-Backward asymmetry, an upper bound on the leading experimental systematic and statistical uncertainties at the next LHC run. Finally, the production cross section of a light Higgs boson in association with one b-quark is computed at Next-to-Leading Order in alpha_em in the framework of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model. The calculation has been done in the 5FNS, using, respectively, the DRBAR renormalisation scheme to manage Ultraviolet divergencies, and the soft-photon approximation to treat consistently Infrared divergencies. This is the first calculation of the Electromagnetic NLO effect in the NMSSM, which shows a relevant relative magnitude respect to the LO determination of genuinely NMSSM nature.
XXVII Ciclo
1985

2012/2013
The aim of my Thesis is to explore the physical properties of the galaxy population in clusters and proto-clusters. A large number of physical processes plays an important role in the formation and evolution of galaxies: cooling, that allows the condensation of gas in the centre of dark matter haloes; star formation, that converts cold gas in stars; feedback from Active Galactic Nuclei (AGN), that prevents the gas in the central regions of haloes from "over-cooling"; feedback from Supernovae, which liberates energy in the surrounding, mixing the gas and enriching it with heavy metals. Galaxy clusters are special environments in which additional important processes take place, and play an important role in the evolution of the cluster galaxy population. Galaxy merging, harassments, tidal interactions, ram pressure stripping and strangulation are all processes acting in dense environments such as clusters of galaxies. I will take advantage of a {\it state of the art}-semi-analytic model of galaxy formation and of a set of 27 high-resolution dark matter only simulations: the semi-analytic model is based on physically motivated and observationally constrained prescriptions for the physical processes listed above and makes use of merger-trees extracted from the simulations to generate mock catalogues of galaxies. First, I make use of this set of simulations to carry out a statistical study of dark matter substructures. In the framework of modern theories of galaxy formation, dark matter substructures can be considered as the birth-sites of luminous galaxies. Therefore, the analysis of subhaloes, and in particular of their mass and spatial distributions, merger and mass accretion histories, provides important information about the expected properties of galaxies in the framework of hierarchical galaxy formation models. I have studied the amount and distribution of dark matter substructures within dark matter haloes, focusing mainly on the measured properties of subhaloes as a function of the mass and physical properties of their parent haloes, and redshift. I show that the fraction of halo mass in substructures increases with increasing mass, reaching $10 \%$ for haloes with mass of the order of $10^{15} \,M_{\odot} \hm$. The scatter in the relation is driven by halo concentration, with less concentrated haloes having larger fractions of mass in substructures. Most of this mass is locateted in the external regions of the parent haloes, in relatively few, but massive subhaloes, thus giving rise to a mass segregation which appears to be stronger at increasing redshift. Tidal stripping is found to be the process responsible for that. In fact, haloes that are more massive at the time of accretion, and that are supposed to host more luminous galaxies, are brought closer to the centre on shorter time-scales by dynamical friction, and therefore suffer of a more significant stripping. The results confirm that the main properties of galaxies, such as luminosity or stellar mass, are related to the mass of subhalos at infall, as found in previous studies.. The main results discussed in this part of the Thesis have been published in Contini et al. (2012), MNRAS.420.2978C. In a second part, I describe the implementation of physical processes responsible for the generation of the Intra-Cluster Light (ICL) in the available semi-analytic model, that, in its original form, does not account for them. The inclusion of these physical processes is, thus, an important improvement of the model. I take advantage of this upgrade of the model to investigate the origin of the ICL and to understand how the main properties of galaxies change with respect to a model that does not include these additional prescriptions. I find the fraction of ICL in groups and clusters predicted by the model to range between $10 \%$ and $40 \%$, with a large scatter and no halo mass dependence. Large part of the scatter on cluster scales is due to a range of dynamical histories, while on smaller scales it is mainly driven by individual accretion events and stripping of relatively massive satellites, with mass of the order of $10^{10.5} \, M_{\odot} \hm$, found to be the major contributors to the ICL. The ICL forms very late, below $ z \sim 1$ and a non negligible fraction (between $5 \%$ and $25 \%$) has been accreted during the hierarchical growth of haloes. Moreover, the ICL is made of stars which cover a relatively large range of metallicity, with the bulk of them being sub-solar, in agreement with recent observational data. The main results of this analysis have been submitted to MNRAS (Contini et al. 2013). In the last part of the thesis, the updated model is used to investigate the properties of the galaxy population in proto-cluster regions. The work is still in progress. I am testing the predictions of the semi-analytic model and comparing them with observations in terms of properties such as galaxy colours, star formation and stellar mass. A preliminary analysis of one very massive proto-cluster region shows that the galaxy population gets red and tend to cluster around the most massive galaxy as time goes by. There are, in literature, only a few attempts to probe such peculiar regions of the Universe from a theoretical point of view. The novelty of this work lies in the connection between massive clusters observed in the local Universe and the proto-cluster regions from which they have formed. I will try to define what a proto-cluster region is, and how it looks like, by studying the main properties of progenitors it contains. Specifically, I will investigate the spatial and velocity distributions of galaxies in simulated proto-clusters, looking at the red and blue galaxy distributions in these regions, as well as at BCG and satellite properties as a function of redshift. The main results of this work will be the subject of a paper in preparation.
XXV Ciclo
1982

2013/2014
Il Modello Standard delle particelle elementari è senza dubbio una delle teorie che hanno riscosso il maggior quantitativo di successo nella storia della fisica. La recente scoperta del bosone di Higgs, ad opera degli esperimenti ATLAS e CMS operanti presso il Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra, è solamente l’ultima di una lunga serie di predizioni teoriche confermate dall’esperimento. Il meccanismo di produzione di quark b in associazione a bosoni vettori W e Z si inquadra all’interno della fenomenologia del Modello Standard, ma la sua predizione teorica presenta alcune interessanti sfide collegate alla complessità dei calcoli perturbativi nel campo della Cromodinamica Quantistica e alla descrizione del quark b all’interno del protone. Molti sviluppi sono stati fatti di recente in questo contesto tramite lo sviluppo di diversi modelli per la produzione del quark b. Questi risultati presuppongono diverse approssimazioni allo scopo di rendere il calcolo fattibile. La misura della sezione d’urto di produzione per questi processi costituisce quindi un ingrediente importante alla comprensioni di simili processi. Nel presente lavoro, la sezione d’urto per la produzione inclusiva di un bosone vettore W in associazione con una coppia di quark b è stata misurata sfruttando l’insieme di collisioni protone-protone prodotte da LHC ad un energia nel centro di massa pari a 8 TeV. Si è osservato il bosone vettore W tramite il suo decadimento in un elettrone o in un muone ed in un neutrino, mentre ciascun getto adronico originato da un b quark è stati identificato tramite la presenza di un adrone B associato ad un vertice di decadimento secondario. L’analisi è stata effettuata su un campione di collisioni consistente di una luminosità pari a 19.6/fb. La misura della produzione di eventi W+bb è inoltre importante in quanto essa costituisce un fondo irriducibile ad altri processi fisici di grande interesse quali la produzione di W in associazione al bosone di Higgs nel suo canale di decadimento in coppie di quark b. Altri processi del Modello Standard che producono uno stato finale simile al processo studiato nella presente tesi sono costituiti dalla produzione di coppie di quark top , quark top singoli o dalla produzione di coppie di bosoni vettori. Infine, lo stato finale del processo W+bb può costituire un fondo irriducibile per processi di nuova fisica oltre il Modello Standard, quali ad esempio la produzione di particelle supersimmetriche.
The Standard Model of elementary particles is without any doubt one of the most successful theories in the history of physics. The recent discovery of the Higgs boson, thanks to the analysis of the Large Hadron Collider data performed by the ATLAS and CMS experiments, is the last and most striking of a long series of predictions of this theory confirmed by experimental evidence. The production mechanism of bottom quark pairs in association with W or Z vector bosons in proton-proton collisions is comprised within the phenomenology of the Standard Model, but nevertheless its theoretical prediction presents some interesting challenges which are connected with the complexity of perturbative calculations in the context of QCD interactions and with the description of the b quark content of the proton. Many developments have been recently made in this regard with the implementation of several models for the production of b quarks. These results are based on different approximations in order to overcome the difficulties of this calculation. A precise experimental measurement of the production cross section for these processes therefore provides an important input to the refinement of perturbative QCD calculations. In this work, the inclusive production cross section for a W boson and a pair of jets from b quarks is measured using the sample of proton-proton collisions at a center of mass energy of 8 TeV collected by the CMS experiment at the LHC. The W boson is observed via its decay to a muon or electron and a neutrino, while each b-jet is identified by the presence of a B hadron with a displaced secondary vertex. The analysis is performed on a sample of proton-proton collisions corresponding to an integrated luminosity of 19.6/fb. The measurement of the production of W+bb events is also important because this process is an irreducible background to other interesting physics processes involving the production of a Standard Model Higgs boson decaying to a b-jet pair in association with a W. Other Standard Model processes produce final states with a similar experimental signature to the one studied in this thesis, such as the production of top quark pairs, single top quarks or dibosons. Eventually, the final state of W+bb events may mimic the decay of particles predicted by new physics theories beyond the Standard Model, most notably the decay of particles predicted by Supersymmetry.
XXVII Ciclo
1986

2013/2014
Il Modello Standard fornisce una delle piu’ soddisfacenti descrizioni delle proprieta’ delle particelle elementari e delle loro interazioni dato il notevole accordo esistente tra le sue predizioni ed i risultati sperimentali conseguiti negli ultimi decenni. Le predizioni teoriche di questo modello sono state verificate in maniera sempre piu’ accurata da numerosi esperimenti ma ci sono ancora alcuni aspetti che non trovano un’ adeguata spiegazione all’interno di questa teoria. Gli esperimenti a LHC si propongono, quindi, di fornire una risposta alle domande rimaste ancora aperte e ai numerosi problemi teorici irrisolti che possono rappresentare un’ indicazione per la presenza di nuova fisica. L’esplorazione di scenari di nuova fisica non puo’, comunque, prescindere da una solida conoscenza dei processi di Modello Standard che possono rappresentare un fondo importante. Per questo motivo i vasti programmi di fisica degli esperimenti di LHC includono anche misure di processi di Modello Standard. Inoltre, lo studio di questi processi e’ importante in quanto rappresentano test fondamentali per le predizioni teoriche di Cronodinamica Quantistica perturbativa. La produzione associata di bosoni Z in associazione con uno o piu’ getti provenienti dall’adronizzazione di quark pesanti fornisce un test unico per alcune predizioni teoriche. Questo lavoro di tesi verte sullo studio della produzione associata di un bosone Z con esattamente un getto di tipo b o almeno due getti di tipo b. Per eseguire questa misura sono stati usati i dati forniti nel 2012 da LHC ad una energia del centro di massa di 8 TeV e raccolti dall’esperimento CMS (corrispondente ad una luminosita’ integrata di 19.8 fb−1). La prima parte dell’analisi e’ incentrata sulla selezione degli eventi: specifiche richieste su alcune variabili vengono applicate per discriminare la segnatura Z+b. I diversi contributi dei fondi sono estratti da simulazioni Monte Carlo fatta eccezione per il fondo da quark top che e’ stato valutato dai dati. Particolare attenzione e’ stata posta per estrarre la purezza dell’evento, ovvero stimare il vero numero di getti di tipo b. Questo e’ stato fatto simultaneamente nei campioni selezionati Z + 1b e Z + 2b per poter tenere conto di possibili migrazioni di eventi da un campione all’altro a causa di inefficenze dell’algoritmo usato per l’identificazione del tipo di getto. Per poter confrontare i risultati sperimentali ottenuti con i calcoli teorici e’ necessario correggere le quantita’ misurate dagli effetti del rivelatore. Diverse sorgenti di incertezze sistematiche sulla misura sono state, infine, studiate. Le sezioni d’urto differenziali misurate in funzione di diverse osservabili sono state quindi confrontate con diverse predizioni teoriche che implementano diverse approcci nel calcolo (schema 4-flavor, schema 5-flavor).
XXVII Ciclo
1984

2011/2012
ABSTRACT This thesis deals with the control of light absorption in semiconductor devices by the plasmonic resonances of periodically arranged metallic nanostructures integrated on them. Metallic gratings support propagating (SPP) and localized (LSP) plasmonic excitations and surface plasmons-related phenomena, like Extraordinary Optical Transmission (EOT) and plasmonic band gaps, as well as conventional diffraction effects. We combine all the optical resonances outlined to tune the incoupling and distribution of incident photons in the absorbing semiconductor substrate. In particular we consider the application of these concepts to two typologies of optoelectronic devices: photovoltaic solar cells and phototransistors. In the case of photovoltaic devices the objective is to increase the energy conversion efficiency by enhancing light harvesting and re-shaping the absorption profile, in order to improve the collection of photo-generated charge carriers. We begin analyzing a case study, a one-dimensional lamellar grating placed on a silicon substrate, by numerical optical simulations. The aim is to find the coupling conditions of the resonances supported, by designing the geometric parameters of the nanostructures, and showing their impact on the generation profile. These findings are then applied for light trapping purpose to two realistic solar cell layouts. SPP and LSP resonances are able to provide high near field magnification and effectively enhance the absorption of ultrathin organic solar cells. On the other hand, EOT coupled to diffraction orders are more suited to wafer-based Si cells. Then we present the fabrication process developed to realize the designed nanostructures over the large surface area of Si photovoltaic devices. By experiments and simulation we show that an improvement of Internal Quantum Efficiency can be obtained compared to unpatterned devices. Concerning the phototransistors, the aim is use them as compact and scalable biosensors by integrating a plasmonic crystal on the active area. By simulations the grating is designed to maximize transmittance variation due the plasmon resonance shift related to the surface binding of bio-analyte molecules. This event is transduced into an electrical signal at device terminals, as confirmed by characterizations on the first prototypes fabricated. The metallic grating simultaneously works as plasmonic structure and as electronic gate of the transistor in a fully integrated architecture.
SOMMARIO In questa tesi viene trattata la tematica del controllo dell’assorbimento di luce in dispositivi a semiconduttore tramite le risonanze plasmoniche proprie di nanostrutture metalliche integrate con disposizione periodica. Reticoli metallici supportano eccitazioni plasmoniche propaganti (SPP) e localizzate (LSP) e fenomeni correlati ai plasmoni di superficie, quali la trasmissione ottica straordinaria (EOT) e la creazione band gap plasmoniche, così come effetti di diffrazione convenzionali. Tali risonanze ottiche sono state combinate per regolare l’accoppiamento e la distribuzione dei fotoni incidenti in substrati semiconduttori assorbenti. In particolare consideriamo l’applicazione di tali concetti a due tipologie di dispositivi optoelettronici: celle solari fotovoltaiche e foto-transistor. Nel caso dei dispositivi fotovoltaici, l’obiettivo è aumentare l’efficienza di conversione energetica tramite una maggiore raccolta di luce e la redistribuzione del profilo di assorbimento, in modo da migliorare la raccolta dei portatori di carica fotogenerati. L’analisi di un caso di studio, un reticolo lamellare monodimensionale posto su un substrato di silicio, tramite simulazioni ottiche per via numerica, serve a trovare le condizioni di accoppiamento delle risonanze supportate, dimensionando i parametri geometrici delle nanostrutture, e mostrare il loro impatto sul profilo di generazione. Questi risultati sono quindi applicati, per finalità di “light trapping”, a due strutture realistiche di celle solari. Le risonanze SPP e LSP sono capaci di fornire una grande intensificazione del campo vicino e aumentano efficacemente l’assorbimento di celle solari organiche ultra-sottili. D’altro canto, la combinazione di EOT e ordini di diffrazione è più adatta per celle solari spesse in Si. Quindi presentiamo il processo di fabbricazione sviluppato per realizzare le nanostrutture progettate sulle ampie superfici dei dispositivi fotovoltaici in Si. Esperimenti e simulazioni mostrano che è possibile ottenere un aumento dell’efficienza quantica interna rispetto ai dispositivi non nanostrutturati. Per quanto riguarda i foto-transistor, l’obiettivo è utilizzarli come biosensori compatti e scalabili tramite l’integrazione di cristalli plasmonici sull’area attiva. Il reticolo è stato progettato in modo da massimizzare variazioni di trasmittanza dovute alla modulazione delle risonanze plasmoniche indotta dal legame di bio-molecole sulla superficie. Questo evento è trasdotto in un segnale elettrico misurabile ai capi del dispositivo, come confermato dalle caratterizzazioni sui primi prototipi fabbricati. Il reticolo metallico funziona simultaneamente come struttura plasmonica e come gate elettronico del transistor in un’architettura totalmente integrata.
XXV Ciclo
1984

2012/2013
We analyse the relation between the masses of cluster- and group-sized halos, extracted from $\Lambda$CDM cosmological N-body and hydrodynamic simulations, and their velocity dispersions, at different redshifts from $z=2$ to $z=0$. The main aim of this analysis is to understand how the implementation of baryonic physics in simulations affects such relation, i.e. to what extent the use of the velocity dispersion as a proxy for cluster mass determination is hampered by the imperfect knowledge of the baryonic physics. In our analysis we use several sets of simulations with different physics implemented: one dark matter (DM hereafter) -- only simulation, one simulation with non-radiative gas, and two radiative simulations, one of which with feedback from Active Galactic Nuclei. Velocity dispersions are determined using three different tracers, DM particles, subhalos, and galaxies. We confirm that DM particles trace a relation that is fully consistent with the theoretical expectations based on the virial theorem, stating that the velocity dispersion is proportional to $M^\alpha$ with $\alpha = 1/3$, $M$ being the mass of the cluster, and with previous results presented in the literature. On the other hand, subhalos and galaxies trace steeper relations, with velocity dispersion scaling with mass with $\alpha>1/3$, and with larger values of the normalization. Such relations imply that galaxies and subhalos have a $\sim10$ per cent velocity bias relative to the DM particles, which can be either positive or negative, depending on halo mass, redshift and physics implemented in the simulation. We explain these differences as due to dynamical processes, namely dynamical friction and tidal disruption, acting on substructures and galaxies, but not on DM particles. These processes appear to be more or less effective, depending on the halo masses and the importance of baryon cooling, and may create a non-trivial dependence of the velocity bias and the velocity dispersion--cluster mass relation on the tracer, the halo mass and its redshift. The method, based on the scaling relations, to infer the mass distribution is an excellent way to deal with a large quantity of data even if the quality is not excellent. On the other hand, when high quality data is available, more sophisticated methods can be applied, that can provide more information. This is the case of the galaxy cluster Abell 2142. High quality photometric and spectroscopic information are available for this cluster, and we compute the mass and velocity anisotropy profiles of it. Once we have this information, it is possible to investigate the pseudo phase space density profile $Q(r)$ and the density slope - velocity anisotropy $\beta - \gamma$ relation, and compare them with theoretical expectations. The mass profiles have been obtained by using three techniques based on member galaxy kinematics, namely the caustic method, the method of Dispersion - Kurtosis and MAMPOSSt. Through the inversion of the Jeans equation it has been possible to compute the velocity anisotropy profiles. The mass profiles, as well as the virial values of mass and radius, computed with the different techniques are in agreement with one another and with the estimates coming from X-ray and weak lensing studies. A concordance mass profile is obtained by averaging the lensing, X-ray and kinematics determinations. The population of red and blue galaxies appear to have a different velocity anisotropy configuration, red galaxies being almost isotropic while blue galaxies are radially anisotropic, with a weak dependence on radius. The $Q(r)$ profile for the red galaxy population agrees with the theoretical results found in cosmological simulations. The $\beta - \gamma$ relation matches the theoretical relation only in the inner region when considering the red galaxies. The deviations might be due to the theoretical relations not taking into account the presence of baryons and using DM particles as tracers.
XXVI Ciclo
1982

2011/2012
The subject of the present PhD thesis is the study of the production of light hypernuclei in ultra-relativistic Pb-Pb collisions with ALICE (A Large Ion Collider Experiment), one of the four major experiments at the LHC (Large Hadron Collider). The main physics goal of the ALICE experiment is the investigation of the properties of the strongly interacting matter at high energy density ($>$ 10 GeV/fm$^3$) and high temperature ($\approx$ 0.2 GeV) conditions. According to the lattice Quantum Chromo Dynamics (QCD) calculations, under these conditions (i.e. high temperature and large energy density) hadronic matter undergoes a phase transition to a ``plasma'' of deconfined quarks and gluons (Quark Gluon Plasma, QGP). In the first chapter of the thesis a general introduction to the heavy-ion physics will be given. Then the main quantities related to QGP formation (i.e. \textit{probes}) will be described. Finally the most important results obtained at SPS, RHIC and LHC experiments will be shown and discussed. In the second chapter a short description of the LHC and its experimental conditions will be reported and an overview of the ALICE experiment will be given. A description of the different detectors and their performances during data taking will be described; in addition a description of the computing framework will be given. The third chapter will be devoted to an introduction of the (anti)(hyper)nuclei production in heavy-ion collisions. The two main approaches which are believed to govern nuclei production (i.e. coalescence and thermal models) will be described, and an overview on the results at different energies will be shown. A comparison of the theoretical results will be also shown, with particular regards to the energies at the LHC. The fourth chapter is devoted to the description of the analysis method used to get (anti)hypertriton production yield in \PbPb~collisions at $\sqrt{s_{\rm{NN}}}$ = 2.76~TeV with the ALICE experiment via its mesonic decay \hyp~$\rightarrow$ \he + \pim (\antihyp $\rightarrow$ \antihe + \pip). In the beginning of the chapter the analysis technique used for particle identification and for the determination of secondary vertices will be described. The analysis will be divided into two distinct parts: the first one based on the data sample collected by the ALICE experiment during the first LHC heavy-ion run held at the end of 2010, while the second one based on data collected at the end of 2011. A detailed description of the study on efficiency evaluation and signal extraction will be shown for both analysis, together with a study of the systematic uncertainties. The results on the production yield of (anti)hypertriton will also be shown. The estimation of the hypertriton lifetime will be provided in the final section of the chapter.\\ In the fifth chapter the method used to obtain the \pt~spectrum of \he~will be presented. The raw spectra, the efficiency evaluation, systematic errors and feed-down from \hyp~will be presented. The final spectrum will be used to evaluate the production yield of \he(\antihe) in the whole \pt~region, from 0 to $\infty$. \\ Finally, in the last chapter, the present experimental results will be compared with published relevant results and with the most recent theoretical findings. Moreover, the measurement of the ``Strangeness Population Factor'' [S$_{3}$= \hyp/\he/($\Lambda$/p)] at the LHC energies will be provided. This quantity is a valuable tool to probe the nature of dense matter created in high-energy heavy-ion collisions and to validate theoretical models.
-------------------------------------------------------------------------------------------------- Questa tesi è dedicata allo studio della produzione di ipernuclei leggeri in collisioni ultra-relativistiche di ioni piombo (Pb) con l'esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei quattro grandi esperimenti del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Il principale obiettivo scientifico dell'esperimenento ALICE è lo studio delle proprietà della materia in condizioni estreme di energia (> 10 GeV/fm^3) e di temperatura (~ 0.2 GeV) mediante lo studio di collisioni di ioni piombo. Calcoli di Cromo Dinamica Quantistica (QCD) su reticolo prevedono, infatti, che in condizioni di alta temparatura e grande energia la materia adronica subisca un transizione di fase verso un ``plasma'' di quark e gluoni deconfinati (Quark Gluon Plasma, QGP). Nel primo capitolo della tesi verranno descritte in maniera generale la fisica degli ioni pesanti e le grandezze caratterische usate per provare la formazione del QGP (probes). Verranno quindi mostrati e discussi i risultati sperimentali che possono provare l'esistenza di uno stato deconfinato della materia nucleare ottenuti agli esperimenti a SPS, RHIC e LHC. Nel secondo capitolo saranno brevemente presentati il Large Hadron Collider (LHC) e le condizioni sperimentali di lavoro durante i primi tre anni di presa dati; in seguito verrà data un'ampia panoramica dell'esperimento ALICE. Saranno descritti i differenti sotto-rivelatori che formano l'esperimento e verranno inoltre mostrate le loro performance durante l'acquisione dati; inoltre verrà fornita una descrizione del framework di calcolo utilizzato nell'analisi dei dati. Il terzo capitolo sarà dedicato alla descrizione dei maccanismi di produzione di (anti)(iper)nuclei in collisioni di ioni pesanti: verranno descritti i due meccanismi di produzione che si ritiene governino la loro produzione (coalescenza e modello termico) e verrà mostrata una panoramica sui risultati ottenuti a diverse energie. Inotre saranno presentati diversi calcoli teorici, ponendo particolare attenzione ai risultati aspettati all'energia di LHC. Il quarto capitolo contiene la descrizione del metodo di analisi utilizzato per valutare lo yield di pruduzione dell'(anti)ipertritone attraverso il suo canale di decadimento mesonico \hyp~$\rightarrow$ \he + \pim (\antihyp $\rightarrow$ \antihe + \pip) in collisioni \PbPb~con energia nel centro di massa $\sqrt{s_{\rm{NN}}}$ = 2.76~TeV. Inizialmente verrà descritta la tecnica di analisi utilizzata per l'identificazione di particelle e dei vertici secondari, quindi sarà fornita la descrizione dettagliata della tecnica di analisi. L'analisi dei dati è stata siddivisa in due distinte parti: la prima è dedicata alla descrizione della procedura utilizzata per l'analisi dei dati raccolti da ALICE durante la prima acquisizione di collisioni Pb--Pb alla fine del 2010; nella seconda parte, invece, verrà descritta la procedura di analisi dei dati raccolti durante la seconda presa dati nel Dicembre 2011. Verranno quindi descritte in modo dettagliato l'estrazione del segnale, lo studio del fondo combinatoriale e gli errori sistematici. Infine, nella parte finale del capitolo, varrà fornita una stima della vita media dell'ipertritone.\\ Nel quinto capitolo sarà presentato il metodo usato per ottenere lo spettro in pT di (anti-3He)3He. Verranno descritti: la procedura di estrazione del segnale, la stima dell'efficienza in funzione del momento trasverso, la valutazione degli errori sistematici e la procedure usata per sottrarre il feed-down dovuto al decadimento dell'ipertitone. Lo spettro verrà quindi utilizzato per valutare lo yield di produzione di (anti-3He) 3He. Infine, nel sesto e ultimo capitolo, i risultati sperimentali ottenuti verranno confrontati con i risultati teorici discussi nel Capitolo 3.
XXV Ciclo
1985

2008/2009
The intense and unpredictable flashes of gamma rays in the energy band (10 keV – 1 MeV), called Gamma-Ray Bursts (GRB), were discovered in the late 60's. Since then several experiments were dedicated to detect and understand these phenomena. Up to now, we do not have yet a complete explanation for the GRB progenitors and their emission mechanism. In the first phase, the so-called prompt phase, lasting from few ms to tens of seconds, these bursts emit mainly in the band from hard-X to soft gamma. In a longer second phase, called afterglow, the GRB emission ranges from the radio frequencies to the X-ray band. The hard gamma band (>50 MeV), both in the prompt and in the afterglow phase, was poorly explored until the gamma-ray experiment EGRET flown on the Compton Gamma-ray Observatory (CGRO). Nevertheless EGRET detected only 5 GRBs in the band >200 MeV in 7 years of operation. Nowadays 2 gamma-ray experiments AGILE and Fermi/LAT are currently in operation. The number of detected burst with emitted energy >50 MeV is already more than duplicated by these two missions. The two experiments are based on the same high energy gamma-ray detection technique so these two experiments are similar: their core is made of a silicon tracker with tungsten conversion layers, surrounded by a plastic scintillator to veto cosmic-ray particles events. Below the tracker, a calorimeter provides the measure of the energy of the produced pairs. The main differences between the experiments are the larger effective area of the Fermi/LAT (~10 times larger) and its deeper calorimeter. On board of the satellites that host LAT and AGILE there are other 2 experiments respectively: the Fermi/GBM dedicated to the GRB science in the 8 keV-40 MeV band and the SuperAGILE that is a X-ray detector operational in the 18-60 keV band. Fermi/GBM, SuperAGILE and the Mini Calorimeter in the AGILE mission can independently trigger on a burst event respectively in the energy band (8 keV – 40 MeV), (18-60 keV) and (0.3-100 MeV). Their FoV is quite different however, ranging from 2 sr for SuperAGILE to almost 4 sr for MiniCalorimeter and 6 sr for FermiGBM. If the burst, triggered by these instruments or by other missions, is in the field of view of one of the two gamma-ray detectors a high energy signal is searched. In the AGILE pipeline the GRB signal is searched in the burst prompt time interval. During this time interval both background and signal are supposed to follow a Poisson distribution and the signal to be non-negative. The background average rate is computed before the burst trigger, in the same signal extraction region (15deg from the GRB position), with the same analysis cuts and in a time interval at least 10 times longer than the signal duration. Instead in the Fermi/LAT pipeline a map of the test statistic variable is computed. The test statistic distribution indicates how much the data differ from the background model used. In this thesis the non-detection cases are considered: a methodology for the computation of the upper limit on the signal is proposed. This method is based on the Bayesian statistics and was elaborated from Helene in 1984 (Helene, O. 1984, Nuclear Instruments and Methods 228, 120), it considers a Poisson fluctuation of the known background mean and of the estimated signal in the region of interest. The applications of this upper limit computing method to the AGILE and the Fermi/LAT data are also showed deriving upper limit on GRB flux. The AGILE energy coverage is smaller but starts from lower energy with respect the actual Fermi/LAT energy band. In the AGILE energy range above 30 MeV and till 2 GeV, the estimated GRB flux upper limits range between 1x10-3 and 1x10-2 ph s-1cm-2. Instead the Fermi/LAT flux upper limit is roughly 5x10-5 ph s-1cm-2 in the energy range from 100 MeV to 100 GeV. The studies of the upper limits help to understand the GRB emission mechanisms: most of these bursts are not detected in the highest energy band even if the extrapolation of their spectra from the low energy band predicts a detectable flux from those two instruments. On the other case there are some GRBs with low energy spectra predicting a non detectable H.E. flux but with high energy photons clearly detected. These photons indicate the existence of a new component above 100 MeV in the GRB photon spectrum extending up to the GeV region. This thesis gives a new contribution on the computation of the upper limits on the GRB flux in both the gamma-ray experiments operating nowadays. The thesis will concentrate in particular on the study of the upper limits in the interesting cases, when a high energy signal is predicted but not detected, giving some interesting hints on the GRB source physics.
1982

2010/2011
In quark top, scoperto al collisionatore ppbar Teavtron nel 1995, è stato osservato in collisioni pp a LHC dagli esperimenti ATLAS e CMS nel 2010. L'analisi sviluppata dal candidato e presentata in questa tesi è stata oggetto della prima pubblicazione sulla fisica del quark top da parte della collaborazione ATLAS: la misura di sezione d'urto di produzione di coppie top-antitop (ttbar). L'analisi è stata aggiornata utilizzando la totalità dei dati di collisioni pp a 7 TeV raccolti tra agosto 2010 e agosto 2011. Nell'analisi vengono selezionati stati finali contenenti un elettrone o un muone, getti adronici ed energia mancante, richiedendo inoltre la presenza di almeno un getto identificato come originato da un quark b. La sezione d'urto è ottenuta utilizzando un metodo di conteggio, per il quale è necessaria una stima precisa dei processi di fondo. Per questa ragione vengono descritti in dettaglio e discussi i metodi di stima dei fondi principali: QCD e W+getti. Il risultato ottenuto utilizzando i dai raccolti nel 2011 è inoltre utilizzato per estrarre una misura indiretta di massa del quark top. Analizzando i dati raccolti nel 2010, che corrispondono a una luminosità intergata di 35 pb^(-1), viene misurata una sezione d'urto di: sigma(ttbar) = 156 +36 -30 pb mentre il valore ottenuto con i 2.05 fb^(-1) di dati analizzati nel 2011 risulta: sigma(ttbar) = 164 +20 -17 pb La stima indiretta della massa del quark top, estratta da quest'ultimo valore misurato di sezione d'urto, risulta: m(top,pole) = 173.3 +6.3 -6.0 GeV/c^2. Le sezioni d'urto misurate sono in buon accordo con le predizioni teoriche e con le altre misure pubblicate da ATLAS e CMS. Il valore di massa indirettamente ottenuto è in accordo con le più precise misure dirette.
--------------------------------------------- The top quark, discovered at the Tevatron ppbar collider in 1995, has been observed in pp collisions at the LHC by both the ATLAS and CMS experiments in 2010. The analysis developed by the candidate and presented in this thesis has been subject of the first publication of the ATLAS experiment on top quark physics: the measurement of the top-antitop (ttbar) total production cross-section. The analysis is here updated with the full 7 TeV pp collision data collected between August 2010 and August 2011. Final states containing one electron or muon, jets and missing energy are selected, requiring at least one of the jets to be tagged as coming from the hadronization of a b-quark. The cross-section is extracted using a counting method, for which an accurate background estimation is crucial. For this reason, the data-driven methods used to extract the main QCD and W+jets backgrounds are described and discussed. The results of the cross-section measurement using 2011 data are also used to derive an indirect measurement of the top quark mass. Analysing the data collected in 2010, corresponding to an integrated luminosity of 35 pb^(-1), a cross-section of: sigma(ttbar) = 156 +36 -30 pb is extracted, while with the 2.05 fb^(-1) of data analysed in 2011 a cross-section of: sigma(ttbar) = 164 +20 -17 pb is obtained. The latter result is used to extract the following top mass value: m(top,pole) = 173.3 +6.3 -6.0 GeV/c^2. The cross-section results are in good agreement with the theoretical predictions and with the other measurements done in ATLAS and CMS. The top mass obtained from this cross-section measurement agrees with the world average value.
XXIV Ciclo
1983

2011/2012
Phase-contrast X-ray imaging is an invaluable tool in medical diagnostics and biological sciences. It provides images where both absorption and refraction contribute. For quantitative analysis of these images, the phase needs to be retrieved numerically. There are many phase-retrieval methods available. My thesis aims to optimize the application of phase retrieval methods for different phase-contrast imaging situations. A quantitative comparison between phase contrast and phase retrieved images is also performed on some selected examples. We analyzed the two most-applied phase retrieval algorithms and outlined derivations, approximations and assumptions of each one. We implemented these algorithms on experimental data collected at the SYRMEP beam-line of ELETTRA, Italy. We used the algorithms based on Born approximation and transport-of-intensity equation (TIE) for different kinds of test objects and biological samples (high absorbing, homogeneous, low absorbing, etc.) at various experimental conditions (sample-to-detector distances, energies, detector resolutions). Their capability and restriction are evaluated in the visualization of the sample morphology up to its tiniest details. It was shown that Born method is highly depended on phase and intensity distributions in the object plane, being quite accurate in the case of small phase variations and low absorption materials. On the other side, the TIE approximation did not impose any direct limitations on phase and intensity distributions in the object-plane or image-plane but its application is restricted to near-filed region. The application of phase retrieval techniques on biological samples have been assessed the strong ability of these algorithms in improving the visualization of structures and details with a complex geometry. They also produced images with a better separation of the different phases of the sample for an easier and more efficient segmentation. On the other side, as expected, the application of phase retrieval algorithms on high absorbing sample didn’t give further useful information respect to the phase contrast imaging. The Signal to Noise Ratio (SNR) values obtained for phase retrieved images, either for the area-signal and edge-signal, were significantly improved with respect to conventional phase contrast images. For both algorithms, the noise has been significantly reduced. In general, the application of TIE method produced higher SNR in comparison to Born as it is not strongly limited by absorption of the sample. We were able to reduce the scattering contributions by increasing the sample-to-detector distance and, therefore, higher SNR values were achieved. Using phase retrieval algorithms, the tiny details were less defined than in the original phase contrast image because of blurring, but, on the final analysis, this was not significant since data were rendered and segmented more efficiently. For the future development of this work, we will consider the possibility to implement a mixed TIE+Born approach in order to overcome the limitation of Born approximation about the requirement for sample absorption, and restriction posed by TIE to the near-field region sample-to-detector working distances.
XXV Ciclo
1982

2010/2011
This Ph.D. Thesis is devoted to the derivation of cosmological constraints by using clusters of galaxies as probes. Clusters of galaxies provide potentially powerful means to measure the growth of cosmic structures, as well as excellent astrophysical laboratories. As such they have played an important role in establishing the current cosmological paradigm. On one hand, the results presented in this Thesis provide cosmological constraints from the best X-ray surveys of distant galaxy clusters available at present. On the other hand, the techniques developed to forecast constraints from future survey represent a flexible tool to optimize the design of future surveys of galaxy clusters to shed light on the content of the "Dark Sector" of the Universe and on the nature of gravity.
XXIV Ciclo
1983

2013/2014
This thesis is devoted to the study of the growth of Zinc Selenide (ZnSe) nanowires (NWs) by Au-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The growth process consists in many steps which were individually investigated by means of in-situ and ex-situ spectroscopic and microscopic techniques. First, the formation of nanoparticles upon annealing of a thin Au film deposited on different substrates was studied by X-ray photoemission spectroscopy, grazing incident X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The nanoparticles were used as seeds for the 1-dimensional ZnSe crystal growth by MBE through evaporation of Zn and Se from elemental solid sources. The obtained NWs were characterized by scanning and transmission electron microscopy and their optical properties were assessed by means of photoluminescence and cathodoluminescence measurements. This systematic investigation approach allowed us to understand the NWs growth mechanism and, as a consequence, to obtain the control over the NWs properties. Indeed, it was found that an interplay between substrate, seed particles and beam fluxes takes place and strongly affects the NWs growth mode. In particular, a chemical interaction between substrate and Au may occur during the annealing, changing chemical composition and physical state of the nanoparticles before the NWs growth. The vapour composition, i.e. the Zn-to-Se beam pressure ratio, can also modify the nanoparticles composition and the NWs growth mechanism. Therefore, by changing the growth conditions, it was possible to grow ZnSe NWs through different mechanisms, with important consequences on their properties, in terms of morphology, crystal quality and optical properties. Understanding the growth mechanism and its effects on the wires properties allowed us to achieve the control over the growth process and the selective growth of ZnSe nanowires with the desired properties. Vertically oriented ZnSe NWs with a defect-free hexagonal crystal structure were obtained on GaAs(111)B substrates, having either Au-Ga alloy nanoparticles or Au nanocrystals on their tips. Uniformly thin and straight blue-emitting ZnSe NWs were also grown on various substrates, after optimizing gold film thickness, annealing and growth temperature. The possible integration of such nanostructores in novel nanodevices was proposed and preliminary demonstrated.
XXVII Ciclo
1986

2013/2014
This Ph.D Thesis is devoted to the derivation of cosmological constraints by using different probes of the large scale structure, with focus on massive neutrino constraints from galaxy clusters surveys. After having introduced the general theory of cosmic structure formation and the probes used for this Thesis work, I present a study on the effects that an improved calibration of the halo mass function for cosmology with massive neutrinos has on theoretical predictions of cluster number counts and on cosmological parameter inference from cluster samples. These results are particularly relevant in light of the recently highlighted tension between the Planck measurements of the primary CMB temperature anisotropies and measurements of the current expansion rate and low-redshift growth of structure from low-redshift Universe probes. Indeed, beside unresolved systematic effects massive neutrinos can offer a possible means to relieve this tension. In this Thesis I present a detailed analysis of the cosmological constraints derived from the joint analysis of different CMB datasets with low-redshift probes of the LSS. I derived constraints on neutrino properties, either active or sterile, combining WMAP 9-year or Planck CMB data with several probes of the local Universe: BOSS DR11 BAO scale and CFTHLenS shear measurements, SDSS-II Ly-α forest constraints and cluster mass function from Chandra observations (CCCP cluster catalogue). Finally, I present results for a forecast analysis aimed at exploring the cosmological information contained in the cluster catalogue that will be provided by the photometric redshift survey of ESA's Euclid mission, which has been approved for lunch in 2020. The results found in this work highlight the potential that a large optical/near-IR cluster survey, like that to be carried out by Euclid, could have in constraining neutrino properties and emphasize the key relevance of a robust calibration of the observable-mass relation in order to fully exploit the cosmological information carried by such survey.
XXVII Ciclo
1986

2009/2010
The chemistry of carbon dioxide has recently become of great interest both for technological and environmental issues. Indeed, carbon dioxide is one of the most problematic greenhouse gases and is also a fundamental ingredient for the industrial catalytic organic synthesis of many compounds like, for example, methanol. Recent investigations have shown that, while the common industrial process for methanol synthesis is carried out on Cu catalysts, Ni-Cu model catalysts show a particularly high e ciency. In order to understand the origin of such increase in the catalyst activity, a thorough characterization of the CO2-Ni interaction and the atomic-scale description of the hydrogenation process are mandatory. This thesis is focused on the study of the adsorption and activation of carbon dioxide mainly on pure Ni(110) surface and of its reactions with atomic and molecular hydrogen by means of accurate quantum mechanical rst principles numerical simulations. The interaction of the CO2 molecule with the surface is characterized in terms of adsorption geometries, energetics, vibrational and electronic properties, including charge transfer, core-level shifts and scanning tunneling microscopy images, obtained from electronic structure calculations and compared with original experimental results achieved mainly by the Surface Structure and Reactivity Group active at the TASC laboratory. A consistent picture of CO2 chemisorption on Ni(110) is provided on the basis of the newly available information, yielding a deeper insight into the previously existing spectroscopic and theoretical data. We nd that CO2 molecule can be chemisorbed in diff erent, almost energetically equivalent adsorption confi gurations on a Ni(110) surface,with high charge transfer from the substrate. The molecule, that in gas phase is linear and unreactive, is chemisorbed in a bent and activated state on the nickel surface and can react with the hydrogen. The atomic-scale investigation sheds light also on the long-standing debate on the actual reaction path followed by the reactants. Di fferent hydrogenation channels have been explored to determine the reaction network: using molecular hydrogen, only a Langmuir-Hinshelwood process (both reactants are adsorbed) is possible, resulting in the production of formate which is just a 'dead-end' molecule; with atomic hydrogen, instead, the reaction proceeds also through parallel Eley-Rideal channels (only one of the molecules adsorbs and the other one reacts with it directly from the gas phase, without adsorbing), where hydrogen-assisted C-O bond cleavage in CO2 yields CO already at low temperature.
XXIII Ciclo
1976

2009/2010
La presente tesi si basa sul lavoro da me e ettuato nell'ambito della collaborazione ALICE. L'obiettivo scientifi co principale dell'esperimento é quello di investigare le proprietà della materia fortemente interagente fino alle elevatissime densità di energia (> 10 GeV/fm^3) e temperatura (~ 0.2 GeV) che verranno fornite da LHC e che ci si aspetta caratterizzino il mezzo formato nelle collisioni tra ioni pesanti a questi regimi. Calcoli di Cromo Dinamica Quantistica (QCD) su reticolo prevedono che in tali condizioni, il confi namento dei quark in adroni privi di carica di colore scompaia e si formi un plasma di quark e gluoni, denominato Quark-Gluon Plasma (QGP). Nelle ultime due decadi, numerose indicazioni della formazione di questo stato della materia sono state osservate negli esperimenti al CERN-SPS ( sqrt{s_{NN}} = 17.3 GeV) e al BNL-RHIC ( sqrt{s_{NN}} = 200 GeV). ALICE, quindi, grazie alle energie con cui opera e potrà operare in futuro, aprirà una porta in un regime totalmente nuovo e sinora inesplorato nel campo della sica delle interazioni forti. Il primo capitolo della tesi descrive per linee generali i fondamenti della QCD descrivendo le basi della sica del Plasma di Quark e Gluoni. Si so erma quindi nella descrizione di grandezze caratteristiche del tipo di fisica sotto esame e delle osservabili (probes) che possono testimonare la comparsa del QGP nelle collisioni fra ioni pesanti, con attenzione particolare riguardo a quelle legate alla produzione di stranezza. Vengono inoltre illustrati alcuni dei risultati principali ottenuti dagli esperimenti all'SPS e a RHIC nonché alcune delle primissime misure e ffettuate da ALICE. Nel secondo capitolo é presentata una breve descrizione della macchina LHC seguita da un'ampia panoramica delle varie componenti del rivelatore ALICE, delle rispettive prestazioni, nonché del framework di calcolo messo a punto per la gestione e l'analisi dell'enorme mole di dati prodotti dall'esperimento. Il terzo capitolo approfondisce in maniera piú specifi ca uno degli aspetti piú rilevanti della fi sica studiata da ALICE, ovvero la fi sica delle risonanze strane quale strumento per lo studio della evoluzione dinamica del QGP, in particolare durante la fase di ra reddamento. Tra le numerose risonanze strane oggetto di possibile indagine, alcuni modelli teorici conferiscono particolare rilevanza alla risonanza Sigma(1385) della quale verrano discusse le caratteristiche e gli studi che la concernono eff ettuati dall'esperimento STAR a RHIC. Il quarto capitolo entra quindi nell'ambito speci fico del lavoro svolto per questa tesi, ovvero lo studio della Sigma(1385) in ALICE, in collisioni protone-protone, nel canale di decadimento forte Lambda-pi. Verranno dapprima illustrati gli studi eff ettuati su simulazioni protone-protone all'energia di 10 TeV nel centro di massa, realizzati al ne di mettere a punto la procedura di analisi. Saranno descritte la procedura implementata per l'estrazione del segnale, la valutazione del fondo ed il fi t ai dati, nonché lo studio portato avanti per l'ottimizzazione dei tagli implementati al fine di massimizzare il rapporto segnale su rumore e la valutazione delle incertezze sistematiche. Il quinto ed ultimo capitolo illustrerà l'applicazione delle procedure descritte ai dati raccolti in collisioni protone-protone alle energie di 900 GeV e 7 TeV nel centro di massa, analisi fondamentale per il tuning dei modelli esistenti nonché come riferimento per le analisi in collisioni piombo-piombo che non rientrano nell'ambito di questa tesi. I tagli applicati sono stati quindi nuovamente ottimizzati in modo da verificare la bontà del metodo messo a punto su dati simulati e sono state valutate le incertezze sistematiche. Il capitolo termina con l'illustrazione dei risultati ottenuti. Dapprima i valori di massa e larghezza estratti dalle distribuzioni integrali in massa invariante, riscontrati in accordo con i valori riportati nel Particle Data Book; poi gli spettri di fferenziali in funzione del momento e della massa trasversi opportunamente ttati. I risultati vengono infine confrontati sia con le simulazioni prodotte alla medesima energia realizzate sulla base di diversi modelli teorici sia, in via del tutto preliminare, con i risultati ottenuti da STAR a sqrt{s} = 200 GeV.
This thesis work was carried out in the context of the ALICE collaboration. The ALICE (A Large Ion Collider Experiment) experiment will study Pb-Pb collisions at the Large Hadron Collider (LHC) until the center of mass energy per nucleon pair sqrt{s_{NN}} = 5.5 TeV, the highest ever reached. The main physics goal of the experiment is the creation and the investigation of the properties of the strongly-interacting matter in the conditions of high energy density (> 10 GeV/fm^3) and high temperatures (~ 0.2 GeV), expected to characterize the medium formed in central heavy-ion collisions at these energies. Under these conditions, according to lattice Quantum Chromo Dynamics (QCD) calculations, quark confinement into colorless hadrons should fade and a deconfined Quark-Gluon Plasma (QGP) should be formed. In the past two decades, experiments at CERN-SPS ( sqrt{s_{NN} = 17.3 GeV) and BNL-RHIC ( sqrt{s_{NN} = 200 GeV) have gathered ample evidences for the formation of this state of matter. ALICE, therefore, thanks to the energies available now and in the next future, will open a door in a whole and completely unexplored new regime for the physics of the strong interactions. The first chapter of this thesis describes at a general level the cornerstones of the QCD and of the Quark-Gluon Plasma physics. Then it concentrates on the description of the main quantities related to the topics under analysis and on the so-called probes of the creation of the QGP in heavy-ion collisions. Particular attention will be put on the strangeness production related probes. Moreover some of the most important results obtained by the experiments at SPS and RHIC will be presented together with the very first measurements performed by ALICE. A very short description of the LHC machine and its features opens the second chapter followed by a wide overview of the ALICE detector and of its performances, in addiction with a description of the computing framework built for the collection and the analysis of the huge amount of data provided by the experiment. The third chapter will describe in more details one of the most relevant aspects of the physics studied by ALICE, i.e. the physics of the strange resonances as fundamental tool for the QGP dynamic evolution analysis, in particular during the freeze-out phase. Among them, some theoretical models consider much relevant the Sigma(1385). It will be described in detail, with particular attention to the studies performed on it by the STAR experiment at RHIC. The forth chapter is dedicated to this specific topic, i.e. the Sigma(1385) study at ALICE in proton-proton collisions, in the strong decay channel Lambda-pi. First of all the studies performed on simulated data at sqrt{s} = 10 TeV will be described. They were realized in order to built a dedicated analysis procedure. The implemented method for the signal extraction, background evaluation and the data fit will be described together with the optimized cuts introduced in order to find an optimal set able to maximize the signal over background ratio. Then the systematic uncertainties evaluation is presented. The application of the described procedure to the data collected in proton-proton collisions at sqrt{s} = 900 GeV and 7 TeV, is then presented in the fifth and last chapter. This analysis is crucial for the tuning of the existing models and is an important benchmark for the next lead-lead collisions analysis. A new cut optimization will be performed in order to check the consistence of the procedure built using the simulated data. The systematic uncertainties will be evaluated at both energies. The results obtained (both integral and di erential in the transverse momentum) will be shown and discussed together with a comparison with some dedicated simulations provided at the same energy with different models and with a very preliminary comparison with the STAR results at sqrt{s} = 200 GeV.
XXIII Ciclo
1982

2010/2011
The goal of this dissertation is to explain how the X-ray photoelectron diffraction technique can be successfully employed in the structural investigation of complex surface interfaces of ultra-thin films. Local geometrical analysis, combined with other techniques that gain additional electronic and surface morphological information to the system investigated, shed light on those extremely complicated surface atomic systems. These studies are aimed to contribute to the many interesting applications in fields like nano-electronics, surface coating and magnetic storage devices.
XXIV Ciclo
1982

2011/2012
In this thesis differential cross sections measurements of Z boson and jets associated production (Z + jets) will be presented; they are obtained by analyzing a large part of the 2011 dataset that corresponds to a total integrated luminosity of 4.89 1/fb. This type of processes are central in the physics program of LHC. The study of jets produced with Z provides a stringent and important test of perturbative QCD. In addition, a precise measurement of the Z + jets cross sections is crucial since these processes are a significant background in searches for new physics. This work is organized as follows. First an introduction to the SM theory, to the Z + jets physics and to the Monte Carlo generators is given, then a summary of the main features of the CMS detector is presented. The description of how the reconstruction and the identification of the particles is done in CMS, with a particular attention to the electron and jets, is reported, followed by the discussion about the performance of the electron reconstruction algorithms used in CMS. Finally the measurement of the differential cross sections for the Z + jets associated production and the obtained results are described.
XXV Ciclo
1985

2013/2014
Subject to high-intensity ultra-short light pulses, solid materials are driven into short-living states of extremely high temperatures and pressures. Creating such unique states under controlled laboratory conditions and addressing their physical properties with an adequate time resolution to follow their fast-evolving dynamics has been a primary objective of pump-and-probe studies employing the high-peak-power femtosecond optical lasers that have become of increasingly widespread availability during the last three decades. Operative since few years, free electron lasers (FELs) add - to the desired properties of high brilliance, short time duration and coherence proper of those lasers - the tunable energy up to the extreme ultraviolet (EUV) and X-ray spectral ranges which is typical of synchrotron light sources, thus offering a number of advantages on both the fronts of pumping and probing. This thesis describes the efforts that have been undertaken towards the establishment of a new experimental ground for the study of matter under extreme transient conditions at the TIMEX beamline of the free electron laser FERMI in Trieste and discusses my understanding of a number of seminal investigations. Characterization of the exotic states swiftly reached by FEL-excited metallic samples is addressed through single-shot measurements of their EUV reflectance and absorbance. In particular, we provide the first demonstration of EUV absorption near edge spectroscopy at high energy densities and with sub- 100 fs time resolution. The combination of these features is only possible at FEL sources, but makes FERMI truly unique when further considering that here it comes without a need for monochromatization thanks to its seeded nature which makes the delivered pulses almost Fourier-transform limited in bandwidth. The measured dependence on irradiation fluence of the transient absorbance and reflectance of Ti for selected wavelengths across the M2,3 absorption edge and near the plasma frequency respectively is reported, revealing an ultrafast modification of the electronic structure compatible with a single FEL pulse having turned within about 100 fs room-temperature solid-density Ti into a hot free electron gas coexisting in highly non-equilibrium conditions with a cold ion lattice. An interpretive perspective is proposed that - based on simplified, yet reasonable, Drude-like models - allows to gain information on the average free electron temperature and density and the average ionization state of the generated dense plasma. Ultra-fast high-energy-density self-transmission measurements on Al at a few photon energies between the plasma frequency and the L2,3 absorption edge are presented, evidencing for the first time a non-monotonic trend of the EUV transmission as a function of fluence, that are seen to be interpretable - within a three-channel model - as resulting from an interplay between saturation effects and absorption cross-section variations due to electron heating. Higher fluence conditions are shown to induce almost full transparency in an Al-Mg-Al stack over an entire energy region across the Mg L2,3 absorption edge. An analytical model is formulated, that tentatively permits to deduce from the data an estimate for the first ionization energy of warm dense Mg. The responses of insulator and semiconductor samples to FEL and laser excitations - from the initial non-equilibrium stage, through the subsequent relaxation dynamics, to possible phase transformations - are explored through pump-and-probe experiments. Here, FEL pulses are exploited in combination with pulses from the same infrared laser that serves to initiate the FEL emission process, which ensures a natural synchronization between the two radiation sources, - again - a unique feature of seeded FELs. Measurements of transient optical reflectivity on FEL-pumped Si3N4 samples are offered as a demonstration of the nearly jitter-free pump-probe capabilities of FERMI, thus far unbeaten among FEL facilities. The results of a systematic study of the optical response of this material to FEL irradiation for different pump wavelengths and intensities, probe polarizations, sample thicknesses and types of substrate in both reflection and transmission simultaneously are discussed, hinting at the role of interference effects at play due to the different penetration depths of the EUV FEL and infrared laser pulses. Transient EUV transmissions for Ge at its M4,5 edge within a laser pump / FEL probe configuration and for Si at its L2,3 edge within a FEL pump / FEL probe configuration yield a time and energy -resolved view on femtosecond pulse -induced melting of semiconductors. We show that, while able to follow the excitation and de-excitation dynamics of the electronic population in the valence band through below- absorption edge data, we can infer dynamical structural information through on- absorption edge data, in which we recognize the fingerprint of a partial band gap closure associated with the transition to a liquid state of increased metallic character. ---
--- Sottoposti ad impulsi luminosi ultra-intensi ed ultra-brevi, i materiali solidi sono temporaneamente portati ad altissime temperature e pressioni. Generare tali stati in controllate condizioni di laboratorio ed investigarne le proprietà fisiche con una risoluzione temporale adeguata a seguirne la rapida evoluzione è stato un obiettivo primario degli esperimenti di tipo ``pump-and-probe'' facenti uso dei laser ottici al femtosecondo ed elevate potenze di picco che sono divenuti di crescentemente diffusa disponibilità nel corso degli scorsi tre decenni. Operativi soltanto da pochi anni, i laser ad elettroni liberi (FEL) uniscono - alle desiderate proprietà di alta brillanza, breve durata temporale e coerenza propri di questi laser - l'energia variabile fin negli intervalli spettrali dell'estremo ultravioletto (EUV) e dei raggi X che è tipica delle sorgenti di sincrotrone, offrendo in tal modo una serie di vantaggi sia per quanto riguarda la generazione che la caratterizzazione dei suddetti stati. Questa tesi descrive gli sforzi che sono stati intrapresi verso il consolidamento di una nuova piattaforma sperimentale per lo studio della materia in condizioni estreme e transienti presso la linea di luce TIMEX del laser ad elettroni liberi FERMI in funzione a Trieste e discute la raggiunta comprensione di un certo numero di indagini pionieristiche. Stati esotici istantaneamente raggiunti da campioni metallici in seguito ad eccitazione FEL sono caratterizzati attraverso misure a singolo impulso delle loro riflettanza ed assorbanza EUV. In particolare, diamo la prima dimostrazione di spettroscopia di assorbimento EUV vicino soglia ad alte densità energetiche e con risoluzione temporale inferiore ai 100 fs. La combinazione di queste caratteristiche è disponibile solamente presso sorgenti FEL, ma rende FERMI unico qualora, in aggiunta, si consideri che qui si presenta senza bisogno di monocromatizzazione grazie alla natura ``seeded'' che rende gli impulsi rilasciati quasi Fourier-transform limited in larghezza di banda. Viene riportata la dipendenza dalla fluenza di irraggiamento dell' assorbanza e della riflettanza transienti del Ti per selezionate lunghezze d'onda sulla soglia M2,3 di assorbimento e vicino alla frequenza di plasma, rispettivamente. Essa rivela una modificazione ultraveloce della struttura elettronica compatibile con uno scenario in cui un singolo impulso FEL, entro la sua durata di circa 100 fs, trasforma il titanio a temperatura ambiente in un gas caldo di elettroni liberi coesistente in condizioni altamente fuori dall'equilibrio con un reticolo freddo di ioni. Si propone una prospettiva interpretativa che, basata su semplificati ma ragionevoli modelli simil-Drude, permette di ricavare informazioni sulla temperatura e sulla densità elettronica medie e sullo stato di carica medio del plasma denso generato. Sono presentate misure di trasmissione di impulsi ultra-veloci e ad alta densità di energia su un campione di Al ad alcune energie fotoniche tra la frequenza di plasma e la soglia di assorbimento L2,3. Queste evidenziano per la prima volta un andamento non-monotonico della trasmissione EUV in funzione della fluenza, che giudichiamo interpretabile – nell'ambito di un modello a tre canali – come risultante da un effetto di saturazione congiunto ad una variazione della sezione d'urto d'assorbimento dovuta al riscaldamento elettronico. Si mostra come condizioni di ancora più elevata fluenza inducono una trasparenza quasi completa in un campione Al-Mg-Al sull'intero intervallo di energie a cavallo della soglia di assorbimento L2,3 dell'Mg. Viene formulato un modello analitico che, tentativamente, permette di dedurre dai dati una stima per l'energia di prima ionizzazione dell'Mg in condizioni di plasma denso. Le risposte di campioni isolanti e semiconduttori ad eccitazioni FEL e laser - dall'iniziale fase di non-equilibrio, attraverso le successive dinamiche di rilassamento, alle possibili trasformazioni di fase - sono esplorate attraverso misure pump-and-probe. In questo caso, gli impulsi FEL sono sfruttati in combinazione con impulsi dallo stesso laser infrarosso che funge da iniziatore del processo di emissione FEL, il che assicura una naturale sincronizzazione tra le due sorgenti di radiazione, una caratteristica - di nuovo - esclusiva dei FEL seeded. Misure di riflettività ottica transiente su campioni di Si3N4 pompati dal FEL sono offerte come dimostrazione della capacità ad oggi imbattuta di FERMI di offrire una coppia di impulsi laser / FEL praticamente liberi da jitter. Sono discussi i risultati di uno studio sistematico della risposta ottica di questo materiale all'irraggiamento FEL a diverse lunghezze d'onda ed intensità di pump, diverse polarizzazioni di probe, diversi spessori del campione e diversi tipi di substrato, sia in riflessione che in trasmissione simultaneamente. Essi conducono a riconoscere il ruolo giocato da effetti di interferenza a causa delle differenti lunghezze di penetrazione tra impulsi EUV FEL ed infrarossi. Le trasmissioni EUV transienti collezionate per il Ge alla sua soglia M4,5 in una configurazione laser pump / FEL probe e per il Si alla sua soglia L2,3 in una configurazione FEL pump / FEL probe restituiscono una visione risolta sia in tempo che in energia del fenomeno di fusione dei semiconduttori indotto da impulsi al femtosecondo. Mostriamo come sia possibile seguire le dinamiche di eccitazione e diseccitazione della popolazione elettronica nella banda di valenza attraverso dati sotto soglia di assorbimento e come possiamo invece inferire informazioni di dinamica strutturale da dati sulla soglia di assorbimento, negli quali riteniamo di riconoscere l'impronta della chiusura parziale della “band gap” associata alla transizione verso uno stato liquido di aumentato carattere metallico.
XXVI Ciclo
1986

2013/2014
Gli oscillatori micro e nanomeccanici stanno trovando crescente applicazione come biosensori, grazie alla loro elevata sensibilità, alla possibilità di effettuare analisi con un ridotto volume di campione biologico e senza molecole di marcatura secondarie e alla loro integrabilità come sensori in dispositivi di analisi portatili a basso costo. Questo progetto ha come scopo l’utilizzo di oscillatori micromeccanici a geometria verticale (micropillars) come sensori biomolecolari, rispetto ai più comuni oscillatori orizzontali (cantilevers). La struttura dei micropillars, infatti, permette di confinare l’adsorbimento molecolare alla parte superiore dell’oscillatore, consentendo una facile quantificazione della massa depositata attraverso la variazione della frequenza di risonanza; inoltre, i tempi di risposta del sensore risultano ridotti, grazie alla più veloce diffusione delle molecole verso l’area sensibile, rispetto ad altri sensori basati su effetti di superficie e di più grandi dimensioni. Dense matrici di micropillars idrofobici permettono anche la formazione dello stato superidrofobico di Cassie-Baxter, riducendo l’interazione del liquido alla sola parte superiore dell’oscillatore. Durante questo progetto è stato sviluppato un opportuno trattamento idrofobico delle matrici, basato sulla deposizione di un alcanosilano idrofobico, e caratterizzato rispetto alla bagnabilità della matrice e agli effetti sulla risposta meccanica e sulla risoluzione dell’oscillatore come sensore di massa. È stata inoltre verificata la compatibilità di questo trattamento con la formazione di uno strato di oro sulla parte superiore dell’oscillatore, usato come substrato per l’adsorbimento di biorecettori per il riconoscimento e la cattura della biomolecola di interesse. Il risultato di questa ottimizzazione è stato applicato alla rilevazione di un biomarcatore per il tumore alla prostata (PSMA) a concentrazioni utilizzate nella pratica clinica (nanomolari), sia in soluzione fisiologica che in plasma diluito. Infine, è stata dimostrata la misura della frequenza di risonanza dei micropillars a contatto con il liquido nello stato superidrofobico di Cassie-Baxter, come alternativa al problematico utilizzo dei cantilever completamente immersi in liquido, aprendo la strada alla rilevazione in tempo reale di biomolecole da campioni biologici.
Micro and nanomechanical resonators are playing a growing role in biosensing due to their high sensitivity, the possibility of label-free biomolecular detection with a reduced amount of biological sample and their potential integration as sensing tool on low cost, point of care devices. This project focuses on the application of arrays of micropillars resonators for biomolecular sensing, exploiting the advantages coming from the vertical geometry respect to the most common micro and nanocantilever horizontal sensors. Indeed, the biomolecular adsorption can be confined to the micron sized top area of pillars, allowing an easy quantification of the deposited mass and reducing the response time of the resonator due to the faster diffusion on the sensitive area respect to larger, surface based sensors. In addition, the superhydrophobic Cassie-Baxter state can be obtained on dense, hydrophobic micropillars arrays, limiting the interaction with the analyte solution to the top area of pillars. A proper hydrophobization treatment of the arrays, based on the deposition of a hydrophobic alkanosilane coating, has been developed and characterized in terms of wettability of the arrays and of the effects on the mechanical performance and on the mass resolution of the resonators. The compatibility of this treatment with the formation of stable gold layer on top of pillars as a substrate for bioreceptor adsorption has been also verified. The optimized micropillars arrays have been used for the detection of PSMA (Prostate Specific Membrane Antigen) at diagnostically relevant concentrations (nM level) both from physiological solution and from diluted serum. Finally, by exploiting the superhydrophobic Cassie-Baxter state, the direct measurement of the resonance frequency of micropillars in a liquid environment has been demonstrated, as an alternative to the cumbersome application of micro and nanocantilevers on the same conditions, paving the way toward real-time, biomolecular detection from biological samples.
XXVII Ciclo
1983

2013/2014
Il satellite Planck è il diretto successore europeo del satellite americano WMAP. Planck è lo strumento di terza generazione per lo studio del CMB dallo spazio ed è composto da una matrice di 74 ricevitori suddivisi in due strumenti, Low Frequency Instrument (LFI) e High Frequency Instrument (HFI), che osserva il cielo in nove frequenze nell'intervallo tra i 30 GHz ed 857 GHz. Tutti i ricevitori osservano il cielo contemporaneamente e continuamente con una risoluzione angolare che va dai ~30 arcominuti, alla frequenza più bassa, ai ~5 arcominuti, alla frequenza più alta, ed una sensibilità dell'odine di ~10^(-6). Planck è stato lanciato nel Maggio del 2009 e, prima del suo completo spegnimento nell'Ottobre del 2013, lo strumento LFI ha continuamente e stabilmente osservato il cielo per 1513 giorni operativi (OD), che corrispondono a otto complete mappe del cielo. I dati di Planck rilasciati nel 2013 includono le mappe di temperatura del CMB basate sul periodo nominale della missione, che copre gli OD dal 91 al 563. Questa tesi presenta la caratterizzazione degli effetti sistematici di LFI effettuata per i dati di Planck rilasciati nel 2013, con una particolare attenzione all'effetto spikes a 1 Hz. Dall'analisi effettuata, tutti gli effetti sistematici conoscuti di LFI risultano sotto controllo e il loro contributo nello spettro di potenza delle mappe di temperatura del cielo prodotte è sensibilmente inferiore al segnale delle anisotropie del CMB. Dai null test effettuati risulta inoltre che tutti gli effetti sono propriamente corretti. nell'analisi dei dati e che non è presente alcun indizio di ulteriori sistematici sconosciuti. L'effetto delle spikes a 1 Hz è causato da una inattesa interferenza tra le linee di acquisizione dei dati scientifici e quelle dell'housekeeping, che avviene nell'elettronica di lettura di LFI. Questo effetto, individuato per la prima volta durante i test a terra dello strumento, si manifesta come un'onda quadra alla frequenza di 1 Hz che si sovrappone alle tensioni in uscita da tutti i ricevitori di LFI. I ricevitori che più risentono di questo effetto sono quelli a 44 GHz. La tecnica di rimozione di questo disturbo nell'analisi dei dati effettuata per i dati di Planck rilasciati nel 2013 consiste nel sottrarre un template di onda quadra dalle tensioni prodotte dai ricevitori. Tra le diverse tecniche utilizzate per la costruzione del template descritte nella tesi, quella del template filtrato utilizzata nei dati del 2013 risulta essere la più efficiente. Nei canali a 44 GHz dove la rimozione è implementata, il contributo delle spikes nello spettro di potenza delle mappe di LFI è ridotto di due ordini di grandezza, sia in temperatura che in polarizzazione. L'utilizzo di un unico template da sottrarre per l'intera missione per ogni segnale misurato, cielo e riferimento per ogni ricevitore, è giustificato dall'estrema stabilità del template sia in fase che in ampiezza nell'arco di tutta la missione. Dopo la correzione dei dati, la stima del residuo del segnale di spikes nelle mappe dovuto a piccole fluttuazioni dell'ampiezza del template nel corso della missione permette di concludere che l'effetto delle spikes a 1 Hz di LFI è totalmente sotto controllo. Siccome il contributo del segnale di spikes nei canali a 30 GHz e 70 GHz è molto piccolo e siccome il template a queste frequenze sembra non essere molto stabile in ampiezza, la possibilità di rimuovere le spikes anche da questi canali è ancora in fase di studio. In particolare, è importante controllare la possibile introduzione di artefatti nei dati come risultato del processo di rimozione. Avendo a disposizione i dati di tutta la missione, nella tesi si è inoltre studiata la possibilità di aumentare la risoluzione dei template, con lo scopo di investigare la possibilità di ottenere dei template più stabili da utilizzare per i canali a 30 GHz e 70 GHz. I template ad alta risoluzione danno dei risultati identici ai template filtrati nei canali a 44 GHz, mentre nei canali a 30 Ghz e 70 GHz, nonostante la stabilità sia migliore, i template sono ancora dominati dal rumore. Nonostante questo, la produzione dei template ad alta risoluzione ha permesso di verificare la stabilità dello strumento fino a risoluzioni di 1/2^(16) s. Inoltre è stato possibile tracciare in dettaglio il comportamento dello strumento LFI sull'intera missione, osservando variazioni del template delle spikes ben al disotto della risoluzione utilizzata per la rimozione delle spikes dai dati di Planck rilasciati nel 2013. Questi nuovi template hanno idividuato 5 OD in tutta la missione dove lo strumento presenta un comportamento peculiare. In tutti questi casi si è scoperto che le variazioni osservate sono legate ad operazioni note effettuate sullo strumento. Da un confronto diretto dei template per i canali a 44 GHz, non si osservano cambiamenti incrementandone la risoluzione. L'effetto finale sulle mappe e sulla stima dei parametri cosmologici è ancora in fase di studio. Al momento non si rende necessario modificare i template utilizzati nella release di Planck del 2013 per la quella del 2014. L'analisi sull'effetto della rimozione dei template ad alta risoluzione dai canali dei 30 GHz e 70 GHz ed il loro possibile utilizzo in release future è ancora in corso.
The Planck satellite is the European direct successor of the American WMAP satellite. Planck is the 3rd generation instrument for the CMB study from space. It consists in an array of 74 detectors divided into two instruments, Low Frequency Instrument (LFI) and High Frequency Instrument (HFI) scanning the sky with nine frequencies in the range 30 GHz to 857 GHz. All the detectors observe simultaneously and continuously the sky with an angular resolution varying between ~30 arcmin at the lowest frequencies, and ~5 arcmin, at the highest, and a resolution of the order of ~10^(-6). Planck was lauched in may 2009 and, before the compete switch off in October 2013, the LFI instrument has stably and continuously observed the sky for 1513 operational days (OD), corresponding to eight complete sky surveys. The 2013 Planck data release includes the CMB temperature maps based on the nominal period of the mission, covering the OD from 91 to 563. This thesis describes the characterization of the systematic effects of LFI realized for the 2013 Planck data release, with a particular focus on the 1 Hz spikes effect. From the analysis performed, all the known LFI systematic effects result to be under control and their contribution in the temperature power spectrum is well below the CMB anisotropies signal. From the null tests it is possible to conclude that all the systematic effects are properly corrected in the data analysis and there are no evidence of new unknown systematic effects The 1 Hz spikes effect is due to an unexpected cross-talk between the scientific acquisition and the housekeeping data lines in the LFI read out electronics. It appears as a square wave with 1 Hz frequency signal, added to the output voltages of all the LFI detectors. The channels where this effect is more prominent are the 44 GHz. The spikes removal technique used in the 2013 Planck data release consist in subtracting from data an estimated spikes template. Among the different methods used in the estimation of the spikes template, the filtered template used in the 2013 Planck data release is the more effective. In the 44 GHz channels, where the spikes are corrected in the data, the final contribution on LFI maps power spectra is reduced by two orders of magnitude both in temperature and polarization. Using a unique template for every signal (sky and reference) for each detector to be subtracted from data among the whole mission is justified by the extreme stability of the template, both in amplitude and phase through all the mission. After correcting for the spikes systematic effect, the estimate of the residual spikes signal in maps due to small amplitude fluctuation of the template during the mission allows to conclude that the spikes effect in the LFI maps is completely understood. Since the spikes signal in the 30 GHz and 70 GHz channels is very small, and since the template seems not to be very stable in these frequencies, the possibility of removing spikes even in these channels is still under evaluation. In particular, it is very important to assess the possible introduction of artifacts for these unstable templates as a result of the spikes removal process. By using ll the mission data, in the thesis, it has been studied the possibility to increase the resolution of the templates used in the spikes removal process by producing high resolution templates aimed to better investigate the instabilities in the 30 GHz and 70 GHz templates. In the 44 GHz, the high resolution template give results identical to the filtered template while in the other frequencies, even if the resulting template is more stable, the templates are still dominated by noise. In addition, the high resolution template production allowed to verify the instrument stability up to the resolution of 1/2^(16) s. Moreover it was possible to track the LFI behaviour over all the mission, checking for variations in the spikes template well below the resolution of the 2013 Planck data release templates. This new templates identified 5 OD over the whole mission where the instrument has a variation from its stable behaviour. It has been discovered that all these variations are directly related to major operations performed on the instrument. From a direct comparison between the templates, for the 44 GHz channels, there is no change in the increase of the resolution. The final contribution on LFI maps and the final contribution in the estimate of the cosmological parameters is still under investigation. At the moment it seems not necessary to modify the templates used in the 2013 Planck data release for the 2014 data release. The possibility to introduce the the high resolution spikes template removal in the future Planck data releases is still under investigation.
XXVI Ciclo
1983

2008/2009
Tutto inizia nel caos, e tutto termina nel caos: Robert Musil e Italo Svevo lo dimostrano nei loro romanzi principali, "L'uomo senza qualità" e "La coscienza di Zeno". Entrambi gli autori sono specchi di di un'epoca, l'inizio del Novecento, in cui il senso di sicurezza ha ceduto il posto all'indeterminatezza e all'incertezza (come ad esempio nella fisica, nella biologia e nella psicologia) a causa della caduta dell'impostazione deterministica nella scienza. A partire da questa crisi epocale, che ha cambiato radicalmente ogni visione del mondo, Svevo e Musil hanno dato vita a due personaggi alla ricerca di un proprio centro, simbolo della perduta determinazione: questo centro però si dimostrerà vuoto - senza causa, senza scopo, senza senso.
Alles beginnt mit dem Chaos, und alles endet im Chaos: Robert Musil und Italo Svevo zeigen es in ihren bekanntesten Romanen, „Der Mann ohne Eigenschaften“ und „Zenos Gewissen“. Beide Autoren können als Beispiele einer Epoche dienen, in der das Sicherheitsgefühl der Moderne seinen Platz der Unbestimmtheit und Unsicherheit (u.a. in der Physik, Biologie, Psychologie) abtrat, wegen des Überschreitens des deterministischen Ansatzes zugunsten einer freieren, aber auch unheimlicheren Weltanschauung. Ausgehend von dieser tiefen Epochenkrise, haben die zwei Schriftsteller in ihren Romanen Figuren gezeichnet, die sich auf der Suche nach einem geheimnisvollen Mittelpunkt begeben, der die verlorene Bestimmung darstellen sollte: dieser Mittelpunkt erweist sich aber als leer – ohne Ursache, ohne Ziel, und sinnlos.
XXII Ciclo
1981

2009/2010
The thesis deals with several features of quantum many-body systems. They are described both in terms of reversible unitary transformations and as an environment interacting with other systems. An introductory part introduces the main ideas of quantum noise and dissipative dynamics. A chapter is also dedicated to some useful aspects of entanglement. The second part of the thesis concerns the orginal results. A chapter describes the dynamics of two qubits interacting with a common environment. This chapter is focused on the derivation of a new Markovian approximation, finer than the standard weak coupling limit, and its application on the dynamical generation of the entanglement. The second topic concerns the developping of some procedures to reconstruct the parameters governing a large class of Markovian and non-Markovian dissipative dynamics of a quantum particle. These procedures are based on the symplectic tomography of the evolved state. The third topic concerns the physics of many identical bosons, with a special focus on Bose-Einstein condensates. The relevance of entanglement and spin squeezing for quantum metrology with high accuracy is discussed in connection with the quantum Fisher information and collective and squeezing inequalities. A third part summerizes the results. Some useful tools are described in the appendices.
XXIII Ciclo
1983

2009/2010
La sezione d'urto che descrive la diff usione profondamente inelastica di un leptone carico (mu+) su di un nucleone (protone) polarizzato trasversalmente rispetto alla direzione del moto con identifi cazione di almeno un adrone nello stato finale presenta otto modulazioni azimutali, rispetto al piano de finito dallo spin del nucleone bersaglio e dal momento del leptone incidente. Tra queste le meglio conosciute sono dovute all'eff etto Collins e all'eff etto Sivers. Il primo eff etto è la frammentazione di un quark polarizzato trasversalmente in un adrone e l'ampiezza della modulazione è data dalla convoluzione della "trasversità" (ovvero la funzione di distribuzione che descrive i partoni polarizzati parallelamente o antiparallelamente allo spin del nucleone, per nucleoni polarizzati trasversalmente) con la funzione di frammentazione di Collins. L'eff etto Sivers è dovuto alla distribuzione di momento trasverso dei partoni all'interno del nucleone. Le rimanenti sei modulazioni sono dovute ad altre correlazioni tra la polarizzazione o il momento trasverso del partone e lo spin del nucleone. Il lavoro presentato in questa tesi è la misura dell'ampiezza delle modulazioni azimutali (asimmetrie) per i dati raccolti nel 2007 dall'esperimento COMPASS, usando un bersaglio di NH3 per accedere al protone polarizzato, focalizzando l'attenzione sulle asimmetrie di Collins e Sivers. Le asimmetrie sono state misurate sia su un campione di adroni carichi che su adroni identi cati con il rivelatore di luce Cerenkov RICH-1. Ampia parte del lavoro è stata dedicata alla determinazione dell'errore sistematico della misura.
The Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS) cross section, that describes the scattering of a charged lepton (mu+) o a nucleon (proton) transversely polarised with respect to its momentum, and with the detection of a hadron in the final state, has 8 independent azimuthal modulations, that depends on the spin of the target nucleon and on the lepton momentum. Among these modulations, the most famous are due to the Collins and Sivers eff ects. The Collins eff ect is the asymmetric fragmentation of a polarised quark into a hadron, and the amplitude of the modulation is proportional to the Collins fragmentation function with the transversity parton distribution function, that gives the probability difference to find a quark with the polarisation parallel or anti-parallel to the nucleon spin in a transversely polarised nucleon. The Sivers effect is due to the coupling of the quark transverse momentum and the spin in a transversely polarised nucleon. The other six modulations are due to other correlations between the quark polarisation or the quark transverse momentum and the nucleon spin. The work presented in this Thesis is the measurement of the amplitude of the azimuthal modulations (asymmetries) on the data of the COMPASS experiment, collected in 2007 using a NH3 target to access the polarised proton, focusing on the Collins and Sivers asymmetries. The asymmetries have been measured both the charged hadrons and on hadrons identif ied making use of the ring-imaging Cherenkov detector RICH-1 . Large part of the work presented here is devoted to the determination of the systematic error of the measurement.
XXIII Ciclo
1982

2012/2013
In order to solve the measurement problem, collapse models modify the Schroedinger dynamics by adding non linear and stochastic terms. Collapse models provide different predictions compare to Quantum mechanics. In this thesis we focus on two phenomena where the predictions of quantum mechanics and collapse models are different: the electromagnetic radiation emission from charged systems and the flavour oscillations. We analysed both of them and obtained the quantitative deviations from standard quantum behaviour.
Al fine di risolvere il problema della misura, i modelli di collasso spontaneo della funzione d'onda modificano la dinamica data dall'equazione di Schroedinger aggiungendo termini non lineari e stocastici. I modelli di collasso forniscono previsioni differenti rispetto alla meccanica quantistica. In questa tesi studieremo due fenomeni dove le predizioni della meccanica quantistica e dei modelli di collasso sono diverse: l'emissione di radiazione elettromagnetica da sistemi elettricamente non neutri e le oscillazioni dei sapori. Analizzeremo entrambi i fenomeni al fine di ottenere deviazioni quantitative dal comportamento quantistico standard.
XXVI Ciclo
1985

2013/2014
Per uno studio completo che parte dalla materia oscura e va all'origine e propagazione dei raggi cosmici, quello multi canale è uno degli approcci migliori per risolvere i quesiti irrisolti della fisica delle astroparticelle. GAMMA-400, grazie alla sua natura duale, dedita allo studio di raggi cosmici (elettroni fino alle energie del TeV e protoni e nuclei fino a 10^{15}-10^{16} eV) e raggi gamma (da 50 MeV fino a qualche TeV), si dedicherà allo studio di questi problemi. Lo scopo di questa tesi è lo studio delle prestazioni di GAMMA-400 per l'osservazione dei raggi gamma. Due diverse configurazioni della geometria sono state studiate: la "baseline" e la cosiddetta configurazione "enhanced". Le principali differenze tra queste due configurazioni si trovano nel tracciatore e nel calorimetro. Il tracciatore della "baseline" è composto da dieci piani di silicio, otto dei quali comprendono anche uno strato di ~0.1 X_0 di tungsteno. Il tracciatore della configurazione "enhanced" è invece composto da 25 piani di silicio inframezzati da uno strato di tungsteno di ~0.03 X_0. Il calorimetro della "baseline" è diviso in due sezioni: una parte composta da due piani di ioduro di cesio e silicio (chiamata "pre-shower") e una seconda parte composta da 28x28x12 cubi di ioduro di cesio. Il calorimetro della configurazione "enhanced" è invece composto solo da 20x20x20 cubi di ioduro di cesio. Per stimare le prestazioni ho sviluppato un algoritmo di ricostruzione della direzione del raggio gamma incidente. La ricostruzione può fare uso delle informazioni provenienti dal tracciatore, dal "pre-shower" o dal calorimetro, sia combinandole che singolarmente. Le direzioni ottenuta grazie alle informazioni del solo "pre-shower" o del solo calorimetro, anche se di minor risoluzione, possono essere utili per aumentare il numero di fotoni visti ad alta energia e per fornire le informazioni necessarie all'osservazione di transienti con i telescopi Cherenkov a terra. La risoluzione angolare utilizzando il tracciatore è migliore nel caso della configurazione "enhanced". A basse energie ciò è possibile grazie al minore tungsteno, e di conseguenza minor "scattering" multiplo, presente all'interno del tracciatore. Il calorimetro più piccolo, e più profondo, seppur ostacolando la ricostruzione dell'energia di fotoni ad alta energia, produce anche un numero minore di particelle di "backsplash" che peggiorano la ricostruzione delle tracce. L'area efficace totale della "baseline", potendo contare su un calorimetro più grande ed il "pre-shower", è più grande rispetto alla configurazione "enhanced". La risoluzione angolare, l'area efficace e la strategia di osservazione dello strumento contribuiscono alla sensitività per sorgenti puntiformi. La sensitività totale dello strumento è migliore per la "baseline" per energie maggiori di 5 GeV. Ho implementato un set prelminare di condizioni di "trigger" per lo studio dei raggi gamma tramite l'utilizzo delle informazioni del tracciatore. La necessità di rigettare la maggior parte delle particelle cariche deriva dall'elevato fondo presente in orbita (~10^6 protoni per raggio gamma) e una capacità di "downlink" limitata (~100 GB/day). Tra le due configurazioni si nota una differenza di meno dell'1% nel numero rimanente di protoni. Seppur promettente, tale risultato deve essere migliorato e possibili miglioramenti sono descritti nella tesi. Gli algoritmi di ricostruzione e "trigger" sono applicati all'analisi della possibilità di studiare "gamma-ray burst" (GRB) con la principale strumentazione a bordo di GAMMA-400. Una stima del numero di eventi non ricostruiti, perchè avvengono nel tempo morto tra due "trigger", è effettuata tramite la simulazione di un ipotetico GRB accoppiata ai tempi di arrivo dei fotoni presi dai dati reali di due GRB osservati da Fermi. In nessuna delle due configurazioni è visibile una percentuale significativa di "pile-up". Anche aumentando il flusso dei GRB la percentuale di eventi non ricostruiti non supera mai il 6%. Nonostante questo risultato, molto dipenderà dal disegno finale dell’elettronica di lettura dei rivelatori che potrebbe aumentare i tempi morti dello strumento.
XXVII Ciclo
1987

2012/2013
The present PhD Thesis is about the development of new fabricative strategies to obtain microfluidic devices suitable for InfraRed MicroSpectroscopy (IRMS) studies on living cells in physiological environment and the demonstration of the screening and diagnostic capabilities of this technique for bio-medical applications. IRMS detects the vibrational pattern of molecules allowing the label-free characterization of the chemical profile of a biological specimen and its correlation with the sample morphology. Although powerful and versatile, this technique has been limited until recent years to the study of fixed or dried samples, in order to bypass the problem of water absorptions in the infrared spectral region. The use of microfabrication techniques for the production of Visible-Infrared (Vis-IR) transparent devices has recently opened an innovative approach, able to release some of the constrains encountered when dealing with living cells. Moreover, microfabrication is the best option to achieve long-range reproducibility of the optical path, which is mandatory for an accurate water subtraction in order to disclose cellular IR features. At first, we aimed to develop an IR-Vis transparent microfluidic chip with long-time stability in experimental conditions. The optical transparency was granted by the use of CaF2 or BaF2 as substrates, but their low surface energies imposed a challenge in order to establish reliable microfabrication protocols. With the introduction of a new strategy, that we refer to as “silicon-like”, based on the sputtering of a thin silicon layer onto the IR materials, it was possible to modify the surface properties of the substrates without changing their optical properties. These new substrates allowed the use of several common photo-resists as structural materials. The epoxy-based negative tone SU-8 was chosen for its chemical properties (resistance to solvents and watery media) and its long-term stability in experimental conditions. We established a new sealing protocol exploiting the optical properties of SU-8, able to create a chemical bonding between two already patterned layers of the polymer. It was thus possible to produce a new generation of fluidic chips, characterized by broadband transparency from mid-IR to UV and long-term stability in continuous flow conditions. Subsequently, the devices were employed to perform IRMS measurements on both adherent and circulating cells. In particular, we characterize the spectroscopic features associated to each stage of B16 cell cycle, the changes undergone in living MCF-7 upon exposure to hypo-osmotic and thermal stress and the apoptosis progression of U-937 cells, induced by growth factors removal and CCCP (Carbonyl Cyanide m-Chloro Phenylhydrazone) stimulation. All the studies had the intent to further verify the effectiveness of the microfluidic approach for both circulating and adherent living cells analysis and to prove the capabilities of IRMS as tool for the observation of biochemical processes undergone by live beings. For this reason, to validate the achieved results, a parallel analysis with a well established analytical technique such as the flow-cytometry was performed. The present Thesis demonstrates the capabilities of IRMS coupled with microfluidic technologies, as a diagnostic tool for bio-medical investigation of bio-medical applications. Thanks to the precise control of the cellular microenvironment, as well as its flexibility in terms of experimental design, IRMS could be seen as a new promising frontier for modern biology.
La presente tesi di dottorato concerne lo sviluppo di nuove strategie fabricative, volte all’ottenimento di dispositivi microfluidici per lo studio di cellule vive, in condizioni fisiologiche, tramite MicroSpettroscopia InfraRossa (MSIR). Inoltre intende dimostrare le potenzialità di questa tecnica analitica come mezzo di screening diagnostico in ambito bio-medico. La MSIR prevede la caratterizzazione di bio-molecole tramite l’acquisizione del loro spettro vibrazionale. A tale spettro viene poi associata un’immagine ottica, ottenendo quindi la correlazione tra il profilo morfologico di un campione e il suo contenuto chimico. Inoltre, l’uso della spettroscopia infrarossa permette una diretta analisi del campione senza l’uso di marcatori esterni o protocolli di fissazione. L’utilizzo di questa tecnica, sebbene molto potente e versatile, fino a pochi anni fa è stato limitato a campioni fissati o deidratati al fine di aggirare i problemi derivanti dal forte assorbimento delle molecole d’acqua nell’infrarosso, noti come “barriera di assorbimento dell’acqua”. L’utilizzo di tecniche di micro fabbricazione per la realizzazione di dispositivi trasparenti nelle regioni del visibile e dell’infrarosso ha permesso di sviluppare un nuovo e innovativo approccio allo studio di campioni biologici tramite MSIR, superando le limitazioni connesse alla “barriera di assorbimento dell’acqua” e quindi alla manipolazione di sistemi viventi. Inoltre, l’approccio micro fabbricativo è la migliore strategia per ottenere una perfetta riproducibilità del cammino ottico, necessaria per sottrarre dallo spettro vibrazionale il contributo dell’acqua e ricavare quindi le caratteristiche spettrali delle cellule. Nella parte iniziale di questo lavoro di tesi, si è rivolta particolare attenzione allo sviluppo di nuovi dispositivi microfluidici trasparenti nel visibile e nell’infrarosso caratterizzati da una lunga stabilità nelle condizioni di misura. I substrati comunemente usati nella MSIR (fluoruro di calcio o bario, CaF2 e BaF2 rispettivamente) hanno una bassa energia superficiale che richiede lo sviluppo di nuovi protocolli fabbricativi per l’ottenimento dei dispositivi. Durante questo lavoro è stata proposta una nuova strategia operativa, chiamata “silicon-like”, che prevede la modifica delle proprietà superficiali dei materiali tramite la deposizione di un sottile strato di silicio sulle finestre ottiche. Lo strato di silicio provoca un incremento dell’energia superficiale del substrato senza alterarne le proprietà ottiche e permette l’uso dei comuni resist come materiali strutturali. Tra questi, si è deciso di utilizzare l’SU-8 una resina epossidica con tono negativo le cui proprietà chimico-fisiche (resistenza ai solventi e all’ambiente acquoso) e la sua stabilità nel tempo soddisfano i requisiti imposti dalle condizioni di misura. Infine è stato sviluppato un nuovo protocollo di chiusura per i dispositivi, sfruttando le proprietà ottiche dell’SU-8. Grazie a queste innovazioni è stato possibile sviluppare una nuova generazione di dispositivi microfluidici dotati di grande stabilità nel tempo e ottima trasparenza nelle regioni del visibile e infrarosso. Successivamente i dispositivi sono stati impiegati per condurre diversi studi sia su cellule circolanti che in adesione tramite MSIR. Nello specifico, sono state caratterizzate le caratteristiche spettrali che distinguono ciascuna fase del ciclo cellulare per le cellule B16, i cambiamenti nel contenuto chimico di cellule MCF-7 indotte da stress di tipo termico e osmotico e i riarrangiamenti cellulari subiti dai monociti (U937) durante la progressione attraverso l’apoptosi. Tutti questi studi avevano l’intento di dimostrare l’utilità dell’approccio microfluidico allo studio di cellule vive tramite MSIR e validare le potenzialità della MSIR come tecnica di indagine diagnostica per i processi biochimici in vivo. Per questo, parallelamente agli esperimenti MSIR sono stati condotti degli esperimenti di citofluorimetria, una tecnica di routine in ambito biologico. Questa tesi dimostra le potenzialità della MSIR accoppiata alla microfluidica come mezzo di indagine bio-medica. Grazie al preciso controllo dell’ambiente cellulare e alla flessibilità ottenibile in termini di design degli esperimenti MSIR può essere vista come una nuova frontiera per la biologia moderna.
XXVI Ciclo
1986

2012/2013
Organic photovoltaic (OPV) cells based on Bulk Heterojunction (BHJ) architecture, have reached a record efficiency of 8.3% approaching the value of 10% which is considered the threshold for commercial exploitation of this technology. However, BHJ OPV cells suffer from charge collection issues, which hinder significant further increase of efficiency. A few theoretical studies have given clear indications that the most efficient nanoscale architecture consists of nano interdigitated structure of donor (D) and acceptor (A), the materials composing the active layer of OPV cells. The width of these interdigitated structures needs to be comparable to the exciton diffusion length in the two phases (10-20 nm) while their height has to be of the order of the attenuation length of the light (over 100 nm). However, obtaining this structure is challenging and in spite of the several attempts reported, the results up to date were unsuccessful. In this work an indirect approach is proposed to circumvent problems of direct top-down nanostructuring of the active layer. The idea is to nanostructure by nano imprinting lithography (NIL) an electron-blocking, hole-transporting poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) layer, a very common anode buffer layer in OPV. The reason for patterning a PEDOT:PSS layer is that it would act as: A nano interdigitated electrode with increased interface area with the donor material, for enhanced positive charges collection. A framework to guide the nanostructuring of the active layer. A diffraction grating for incident light to increase cells absorbance. However, PEDOT:PSS don't have a clear glass transition temperature and in standard lab condition the obtained structures suffer of deformation problems during stamp separation phase. For these reasons various attempts reported in literature to carry out standard thermal NIL process have led to very modest results in terms of aspect ratio and structure quality. Therefore, we investigated a modified NIL process, Water Vapour Assisted NIL (WVA-NIL), based on the accurate control of the environmental relative humidity to influence mechanical properties of PEDOT:PSS. After process optimization, we were able to fabricate sub-100 nm features in PEDOT:PSS with high aspect ratios (up to 6). WVA-NIL process resulted also to be able to modify, in a controlled and reproducible way, the electronic properties of the material, leading to a conductivity increase up to 5 orders of magnitude and a decrease in work function (Ф) up to 1.5 eV. This open new opportunities to tune PEDOT:PSS properties for specific application, and even for use as cathode instead of anode in OPV. We have investigated the possibility to fabricate nanostructured OPV cells by conformal coating and/or infiltration of PEDOT:PSS nanostructures with different organic semiconductors, either by thermal vacuum evaporation or solution processing, with the purpose of implementing two main architectures consisting of: 1. A nano interdigitated A/D structure, obtained by conformal deposition of the donor material on PEDOT:PSS structures, followed by infiltration with the acceptor material. 2. A BHJ cell with an interdigitated electrode, obtained infiltrating the PEDOT:PSS structures with a blend of the two active materials. As donor materials we tested Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2- yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PSiF-DBT), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), pentacene, copper phthalocyanine (CuPc). As acceptor materials were tested: C60; phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM); indene-C60 bisadduct (ICBA). Nano interdigitated structures of aspect ratios up to 2 were successfully implemented according to architecture 1, using the combination of Pentacene and PCBM, while the main issues and limitations using the other materials were identified. The architecture 2 was successfully implemented with P3HT-ICBA and P3HT-PCBM BHJ on PEDOT:PSS gratings of lines. From the testing of the obtained cells, the most promising system resulted to be the architecture 2. Nanopatterned P3HT-ICBA BHJ cells have shown a 60% relative increase of efficiency compared to flat BHJ reference cells (in absolute values 1.3% vs 0.8% efficiency). Additional experiments were performed on the hybrid system PSiF-DBT/CuInS2, with a nano interdigitated structure of the two materials. This structure was implemented by NIL processing of PSiF-DBT, followed by an infiltration of the obtained structures with copper and indium xanthates, precursor materials that can be thermally converted into CuInS2. The nano interdigitated structure was successfully obtained, and a first series of cell was produced, showing a more than doubled efficiency, starting from 0.13% of a flat bi-layer cell to 0.30% of the nanostructured one, for thermal conversion performed at 160°C.
---------------------RIASSUNTO IN ITALIANO------------------------------ Le celle fotovoltaiche organiche (OPV) basate sull’architettura “Bulk Heterojunction” (BHJ) hanno raggiunto un record di efficienza del 8,3%, avvicinandosi al 10%, considerato soglia da superare per lo sfruttamento commerciale di questa tecnologia. Tuttavia, le celle fotovoltaiche organiche BHJ soffrono di problemi di raccolta di carica, che impediscono di ottenere ulteriori significativi incrementi di efficienza. Alcuni studi teorici hanno dato chiare indicazioni sul fatto che, la più efficiente nano architettura per le celle fotovoltaiche organiche, consiste in una struttura interdigitata di donore (D) ed accettore (A), i due materiali che compongono lo strato attivo delle celle fotovoltaiche organiche. La larghezza di queste strutture interdigitate deve essere comparabile alla distanza di diffusione degli eccitoni nelle due fasi (10-20 nm), mentre la loro altezza deve essere dell’ordine della lunghezza di attenuazione della luce nel materiale (più di 100 nm). Tuttavia ottenere queste strutture è complesso e nonostante diversi tentativi riportati in letteratura, fino ad ora non si sono ottenuti risultati soddisfacenti. In questo lavoro viene proposto un approccio indiretto che aggira i problemi della nano strutturazione “top-down” dello strato attivo. L’idea è di nano strutturare mediante ”nano imprinting lithography“ (NIL) un film di poly(3,4- ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), comune strato intermedio anodico delle celle fotovoltaiche organiche. La nano struttura di PEDOT:PSS così ottenuta agirà da: Elettrodo nano interdigitato ad elevata interfaccia di contatto con il materiale donore, per facilitare la raccolta di cariche positive. Da ossatura per guidare la nano strutturazione dello strato attivo. Da reticolo di diffrazione per la luce in modo da incrementare l’assorbimento della cella. Tuttavia il PEDOT:PSS non ha una chiara temperatura di transizione vetrosa, ed in condizioni di laboratorio standard, le strutture soffrono di problemi di deformazione durante la fase di separazione dello stampo. Per questo motivo vari tentativi riportati in letteratura di utilizzare il processo NIL termico standard, hanno portato a risultati modesti in termini di rapporto di forma e qualità delle strutture. Abbiamo quindi studiato un processo NIL modificato, Water Vapour Assisted NIL (WVA-NIL), basato su un'accurato controllo dell’umidità relativa ambientale al fine di influire sulle proprietà meccaniche del PEDOT:PPS. A seguito dell’ottimizzazione del processo siamo stati in grado di fabbricare strutture con dettagli sub-100 nm e con elevato rapporto di forma (fino a 6). Il processo WVA-NIL è inoltre risultato in grado di modificare in modo controllato e riproducibile le proprietà elettroniche del materiale, portando ad un incremento di conducibilità fino a 5 ordini di grandezza ed una riduzione di funzione lavoro (Ф) fino a 1.5 eV. Questo apre la possibilità di regolare le proprietà elettroniche del PEDOT:PSS per applicazioni specifiche, ed addirittura usarlo come catodo anziché come anodo nelle celle OPV. Abbiamo studiato la possibilità di ottenere celle OPV nano strutturate con una deposizione conformale ed/o infiltrazione delle strutture di PEDOT:SS con diversi semiconduttori organici, depositati per evaporazione termica a vuoto o per deposizione da soluzione. Lo scopo di ciò è di ottenere due principali architetture: 1. Una struttura nano interdigitata A/D ottenuta per deposizione conformale del materiale donore sulle strutture di PEDOT:PSS, seguita da infiltrazione con materiale accettore. 2. Una cella BHJ, con un elettrodo interdigitato, ottenuta infiltrando le strutture in PEDOT:PSS con una mistura dei due materiali attivi. Come materiali donori abbiamo testato: Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7- bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PSiF-DBT); poly(3-hexylthiophene) (P3HT); pentacene; ftalocianine di rame (CuPc). Come materiali accettori: C60; phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM); indene-C60 bisadduct (ICBA). Strutture nano interdigitate con aspetto di forma fino a 2 sono state ottenute con successo, secondo l’architettura 1, usando la combinazione di materiali Pentacene-PCBM mentre i principali problemi e limitazioni nell’utilizzo degli altri materiali sono stati identificati. La seconda architettura è stata implementata con successo con celle BHJ in P3HT-ICBA e P3HT PCBM, usando reticoli di linee di PEDOT:PSS. Dai test di caratterizzazione delle celle è emerso che il sistema più promettente è costituito dalla architettura 2. Celle BHJ P3HT-ICBA nano strutturate hanno mostrato un aumento relativo di efficienza del 60% confrontate ad una cella BHJ di riferimento planare (in valore assoluto 1,3% contro 0.8%). Sono stati eseguiti anche esperimenti su celle nano interdigitate ibride in PSiF- DBT/CuInS 2 . Questa struttura è stata ottenuta mediate processo NIL del PSiF-DBT, seguito da infiltrazione con xantati di indio e rame, precursori che possono essere convertiti termicamente in CuInS 2 . La struttura nano interdigitata è stata ottenuta con successo e dalla prima serie di celle prodotta, ha mostrato un raddoppio dell’efficienza, passando da 0,13%
XXVI Ciclo
1980

2012/2013
L’acqua è universalmente presente nei sistemi biologici. Le sue peculiari proprietà hanno una forte influenza sulla struttura e sul comportamento chimico di macromolecole biologiche ed alimentari. La dissoluzione di una molecola di soluto in acqua comporta l’interazione dei sui gruppi funzionali con la circostante struttura della fase condensata dell’acqua. La maggior parte delle molecole biologicamente importanti hanno una complessa architettura che mantiene assieme funzionalità polari e componenti idrofobiche. Le interazioni di queste funzionalità con le circostanti molecole d’acqua causano la riorganizzazione delle molecole di solvente attorno al soluto. La risultante organizzazione delle molecole d’acqua differisce da quella delle molecole d’acqua libere in soluzione e riflette la specifica architettura del soluto. Questa strutturazione dell’acqua riveste un ruolo importante in molti processi biologici, tra i quali il ripiegamento delle proteine o il riconoscimento recettore-substrato, che hanno chiare implicazioni anche nelle proprietà degli alimenti. Un’approfondita comprensione a livello atomico dei principi che governano queste interazioni manca. Tuttavia, il raggiungimento di una maggiore conoscenza di come le molecole d’acqua interagiscono con le biomolecole e come questo influenzi l’associazione di biomolecole in soluzione acquosa riveste un interesse primario per comprendere il ruolo fondamentale dei composti attivi in tutti i settori di carattere biologico. In questo lavoro, il comportamento di piccole molecole biologiche alimentari è stato studiato attraverso tecniche computazionali e sperimentali. Simulazioni di dinamica molecolare sulla caffeina in soluzione acquosa sono state condotte per studiare l’interazione tra acqua e caffeina e la riorganizzazione delle molecole d’acqua come conseguenza della presenza della molecola di caffeina in soluzione. Questi studi hanno permesso di testare vari modelli di solvatazione dell’acqua. La molecola di caffeina è stata modellizzata utilizzando un campo di forze CHARMM sviluppato appositamente. La simulazione ha rivelato che la caffeina in soluzione acquosa impone un’organizzazione complessa alle molecole di solvente adiacenti. I dettagli caratteristici di questa strutturazione dell’acqua sono una funzione complicata dell’architettura molecolare del soluto e non dipendono dal modello computazionale di acqua utilizzato. L’auto-aggregazione delle molecole di caffeina in soluzione acquosa è stata studiata attraverso simulazioni di dinamica molecolare, esperimenti di diffrazione a basso angolo ed esperimenti di diffrazione di neutroni con sostituzione isotopica. Le simulazioni sono state eseguite su un sistema di 8 molecole di caffeina in acqua a 27°C, rappresentando una soluzione con una concentrazione 0.1 m, vicina al limite di solubilità a temperatura ambiente. Come atteso, le molecole di caffeina hanno formato aggregati in soluzione, impilandosi come monete. Il sistema era caratterizzato da un equilibrio dinamico tra aggregati di grandi e piccole dimensioni. Il coefficiente osmotico calcolato dalla distribuzione degli aggregati nel corso della simulazione è compatibile con il dato sperimentale. Esperimenti complementari di scattering a basso angolo sono stati condotti su una soluzione acquosa di caffeina con concentrazione 0.1 a 25°C. L’analisi dei dati sperimentali, con un modello in cui le molecole di caffeina sono approssimate a dischi piatti interagenti, ha fornito un valore della distanza di impilamento di 10 Å, compatibile con la distanza tra due molecole di caffeina all’estremità di un trimero e allineate in modo antiparallelo in una sequenza del tipo ABA. Esperimenti di diffrazione di neutroni con sostituzione isotopica sono stati condotti su una soluzione acquosa di caffeina a concentrazione 1 m a 80°C per aumentarne la solubilità e di conseguenza il contrasto. Gli stessi sono stati eseguiti anche sull’acqua pura alla stessa temperatura. La sostituzione isotopica è stata applicata agli atomi di idrogeno dell’acqua. I dati di diffrazione sono stati analizzati mediante simulazioni di dinamica molecolare e attraverso il metodo empirical potential structure refinment. Entrambi gli approcci hanno mostrato la formazione di aggregati di molecole di caffeina impilate in soluzione, con una maggiore tendenza ad associarsi rilevata nelle simulazioni di dinamica molecolare. Il presente studio ha mostrato che nonostante la molecola di caffeina abbia una dimensione inferiore ad 1 nm, la strutturazione delle molecole d’acqua direttamente sopra al piano della caffeina è consistente a quella prevista per una superficie idrofobica estesa. Questo risultato spiega come l’associazione della caffeina possa avere un carattere idrofobico, ma avere un’energia libera di associazione dominata dal contributo entalpico. Ulteriori simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite su diversi sistemi di zuccheri in soluzione acquosa di caffeina. Gli zuccheri esaminati sono: il saccarosio, entrambi gli anomeri del glucosio e il sorbitolo. Tutti gli zuccheri hanno esibito un’affinità per la molecola di caffeina. Nel caso del saccarosio e del glucosio, la natura dell’interazione è un appaiamento tra le facce idrofobiche della caffeina e le facce idrofobiche prodotte dai protoni assiali degli zuccheri. Questa modalità di interazione non ha alterato la formazione di legami idrogeno tra le molecole di zucchero e l’acqua. Il sorbitolo è topologicamente diverso da zuccheri come il saccarosio e il glucosio, in quanto in soluzione è prevalentemente caratterizzato da una struttura a catena estesa. Nonostante ciò, l’associazione del sorbitolo alla caffeina avviene attraverso l’interazione dei protoni alifatici con le facce idrofobiche della caffeina, analogamente al comportamento degli zuccheri ciclici. In aggiunta, l’associazione del sorbitolo alla caffeina non influenza la conformazione media dello zucchero in soluzione. Esperimenti complementari di titolazioni di risonanza magnetica nucleare sono stati condotti su sistemi analoghi misurando la variazione del chemical shift dei protoni degli zuccheri in conseguenza all’aggiunta di caffeina ad una soluzione a concentrazione costante di zucchero (glucosio o saccarosio) e viceversa. L’ampiezza della variazione del chemical shift dei protoni legati all’anello degli zuccheri valida la natura dell’interazione determinata dalle simulazioni di dinamica molecolare.
XXVI Ciclo
1986

2012/2013
Le proteine intrinsecamente disordinate (IDP), nello stato nativo non ripiegate, sono inclini all’aggregazione e direttamente correlate con lo sviluppo di malattie amiloidi. Tra queste, ci siamo focalizzati sullo studio dell’alfa-Sinucleina (AS), una proteina coinvolta nella malattia di Parkinson, un disturbo neurodegenerativo caratterizzato dalla degenerazione dei neuroni dopaminergici e l’accumulo di AS in placche amiloidi. Sebbene lo studio delle interazioni AS-dopamina sia di importanza cruciale nella comprensione dei meccanismi responsabili dello sviluppo della malattia, tuttavia, non sono disponibili dati in letteratura riguardo all’affinità di questo legame nei diversi stati ripiegati/funzionali dell’AS. L’elevata tendenza all’aggregazione delle IDP rende difficile il loro studio in soluzione e anche una stima approssimativa dei parametri relativi all’affinità di legame è estremamente difficile. Nuove tecniche di superficie potrebbero pertanto permettere lo studio delle interazioni di legame di molecole e di farmaci capaci di favorire/inibire l’aggregazione. In particolare, le tecniche di superficie potrebbero permettere un migliore controllo dell’immobilizzazione di queste proteine, particolarmente instabili in soluzione, e di studiare con alta precisione fenomeni di legame. Con questa visione, la microscopia di forza atomica (AFM) rappresenta un’opportunità. Il nanografting, una tecnica litografica per mezzo AFM, permette l’immobilizzazione di proteine orientate con il preciso controllo dei parametri di immobilizzazione. Con AFM e AFM-nanografting, abbiamo prodotto una nuova piattaforma per lo studio di diversi aspetti dell’aggregazione/interazione dell’AS. Abbiamo quindi studiato l’affinità di legame tra AS e dopamina misurando variazioni nell’altezza e nella rugosità della topografia AFM su AS immobilizzata in aree confinate, in funzione della concentrazione di dopamina. Il valore micromolare della costante di dissociazione (Kd) è stato inoltre confermato dallo studio dello spiazzamento di un anticorpo legato all’AS in seguito all’aggiunta di dopamina. Sebbene la Kd calcolata con il nostro approccio sia una stima della reale Kd calcolata in soluzione, in quanto influenzata dall’affollamento delle molecole o ai limiti di diffusione, i nostri risultati sono comunque degni di nota. Infine, abbiamo testato il nostro saggio per lo studio delle fasi preliminari dell’aggregazione dell’AS. In particolare, abbiamo osservato come aggregati confinati di AS siano disciolti dall’azione della dopamina, confermando il suo ruolo nell’inibizione della fibrillazione. In questo modo, abbiamo creato un saggio potenzialmente utilizzabile per lo screening di nuove molecole che interagiscono con l’AS ed eventualmente utilizzabili come farmaci. Inoltre, l’interazione di AS con microdomini della membrana cellulare (lipid rafts) sono oggetto di dibattito. Per questo motivo, abbiamo utilizzato dei doppi strati lipidici modello con composizione capace di mimare quella dei lipid rafts. In particolare, abbiamo caratterizzato con AFM e GISAXS (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering) delle membrane lipidiche di tre componenti, aventi separazione di fase lipidica, studiando l’effetto dell’umidità e della percentuale di colesterolo su ciascuna fase. Abbiamo quindi studiato l’effetto del legame dell’AS su questo sistema modello. In particolare, immagini di topografia AFM in liquido ci hanno dato la possibilità di discriminare la topografia di strutture filamentose formatesi inseguito all’interazione di AS. Il fenomeno, dipendente dalla fase lipidica della membrana e quindi dall’ordine delle molecole, sembra essere favorito da un blando impacchettamento dei lipidi. Inoltre, utilizzando misure GISAXS, è stato possibile determinare un considerevole riordinamento della membrana in seguito al legame di AS.
Intrinsically disordered proteins (IDPs) are natively unfolded, prone to aggregation and directly correlated with amyloid diseases. Among them, we focused on alpha-Synuclein (AS), a protein related to Parkinson’s disease, a neurogenerative disorder characterized by the degeneration of dopaminergic neurons and the accumulation of AS into amyloid plaques. In particular, the study of AS-dopamine (DA) adducts is crucial for the comprehension of the mechanisms responsible of Parkinson’s disease development. However, according to our knowledge, there is no evidence in literature about AS-DA binding parameters at different folding/functional state of AS. IDPs have in fact a strong propensity to aggregate, making it extremely difficult to get even rough estimation of binding affinities in solution. Therefore, new methods able to study surface immobilized IDPs could be useful for both fundamental studies of binding interactions and drug screening of new compounds able to interact favouring/inhibiting the aggregation process. In particular, the use of a surface-based technique could help to better control the immobilization of such proteins, particularly unstable in solution, and to study with high precision binding events. With this perspective, atomic force microscopy (AFM) offers a challenge. Nanografting, an AFM mediated nanolithographic technique, allows for the nanoscale immobilization of proteins in a well-oriented manner with the precise control of the immobilization parameters. By means of AFM and AFM-nanografting, we produced a new platform able to study different aspects of AS aggregation/interactions. First, we studied AS-dopamine binding affinity by measuring the variation of AFM topographic height on AS nanopatches due to binding of DA on the patch as a function of its concentration in solution, and the correspondent surface roughness variation. The value of the dissociation constant, in the micromolar range, was confirmed by studying the displacement of AS-bound mAbs, after the addition of dopamine. We think that this result is noteworthy, even though we are aware that the Kd values obtained with our assay are probably a very rough estimate of the Kd of the AS/DA interaction occurring in solution, due for instance to AS surface crowding and restrictions to diffusion. Finally, the assay was used to study the early stages of the aggregation process. In particular, dopamine dissolved confined AS aggregates confirming its role in the inhibition of fibrillation. In this way, we created a potential screening assay able to study the interaction of AS with new molecules virtually usable as new drugs. Moreover, the interaction of AS with lipid rafts, specialized microdomains of the cell membrane, is object of a strong debate. For this reason, we created a model supported lipid bilayer with composition able to mimic lipid rafts. In particular, we characterized by both AFM and Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) a three components membrane presenting a lipid phase separation, focusing on the effect of humidity and cholesterol percentage on the structure of each phase. Then, we studied the effect of AS binding on this membrane model system. In particular, trough AFM imaging in liquid we discriminated the topology of filamentous structures resulting from AS binding. The phenomenon is dependent on the membrane’s lipid phase and order and is favoured by mild packing of lipids. From GISAXS measurements, the occurrence of a strong rearrangement of the membrane upon AS binding was suggested.
XXVI Ciclo
1984

2013/2014
Questo documento riporta risultati di calcoli DFT di rilassamenti periodici e di spettri NEXAFS di core su soglia K per taluni sistemi di stato solido attraverso l’utilizzo di una metodologia computazionale ibrida. Appropriati modelli di cluster di tali rilassamenti vengono presi in considerazione per il calcolo degli spettri NEXAFS a livello finito in uno schema di approccio a orbitali molecolari. Il problema a cui ci si indirizza nella fattispecie riguarda la spettroscopia di molecole adsorbite su superfici. La prima parte del lavoro si focalizza sul calcolo di spettri NEXAFS K-edge di molecole di etilene e piridina adsorbite su superficie di silicio Si(100), rispettivamente ai livelli C1s e N1s/C1s per varie polarizzazioni del fascio di sincrotrone incidente, considerando differenti geometrie di adsorbimento in entrambi i casi. Nella seconda parte, viene fatta una scelta differente per cambiare la natura della superficie adsorbente, passando ad Ag(110) e Au(111) con vari addotti di ossigeno molecolare e di 1,4-paradiaminobenzene rispettivamente. Similmente al caso precedente, si effettuano simulazioni DFT di spettri NEXAFS ai livelli O1s e N1s per varie polarizzazioni del fascio di sincrotrone incidente. In tutti i casi si cerca di ottenere il miglior accordo con gli esperimenti considerati. I nostri studi mostrano una ragionevole convergenza degli spettri angolo-risolti calcolati con le loro controparti sperimentali e portano a concludere l’utilità di questo approccio computazionale nella definizione della geometria più probabile dell’adsorbato sulla superficie considerata.
XXVI Ciclo
1976

2009/2010
Understanding the interplay between the phases present in a high-temperature superconductor (superconducting, pseudogap, strange metal and Fermi-liquid-like) is the key-concept for shining light on the nature of the superconductivity mechanisms in copper-oxide based superconductors. Here, I set the bases for addressing this physics by developing an approach based on ultrafast time-resolved optical spectroscopy in the infrared and visible spectral regions. The experiments performed disclose the real-time evolution of the optical properties while the system is suddenly brought out-of-equilibrium by an ultrashort laser pulse. The data obtained show how a competing admixture of two or more phases in a high-temperature superconductor can be created and observed evolving. Finally by using new models for interpreting the experimental results the ultrafast dynamics of the competing phases start to be revealed.
XXIII Ciclo
1982

2011/2012
I dispositivi elettronici basati sui semiconduttori organici sono attualmente oggetto di intensi studi dopo che la loro introduzione ha aperto la strada a un tipo di elettronica altamente versatile e a basso costo. Tuttavia è ancora necessaria una buona comprensione delle proprietà strutturali ed elettroniche dei semiconduttori organici per superare la generale bassa efficienza che i dispositivi organici presentano rispetto a quelli inorganici. I principali sforzi in questo campo della ricerca possono essere raggruppati in due categorie. Da un lato le proprietà elettriche dei semiconduttori organici vengono investigate attraverso lo studio del loro meccanismo di trasporto di carica, il quale non può essere descritto semplicemente prendendo in prestito i concetti che si applicano ai materiali inorganici. Dall'altro lato la presenza di numerose interfacce ibride che si formano tra il materiale attivo e le altri parti del dispositivo elettronico, sia metalliche che organiche, spinge lo studio delle proprietà strutturali ed elettriche di queste interfacce. In riferimento ai soggetti appena citati, in questo lavoro verranno considerati due sistemi modello: un semiconduttore organico in forma di cristallo singolo e un'interfaccia organica di tipo donore/accettore. La molecola di 4-idrossicianobenzene (4HCB) appartiene alla classe dei semiconduttori organici a cristallo singolo e forma cristalli singoli di dimensioni millimetriche che presentano proprietà di trasporto fortemente anisotropiche lungo i tre assi cristallografici. L'alto grado di purezza, il ridotto contributo di difetti e l'ordine strutturale a lungo raggio dei cristalli singoli, fà del 4HCB un sistema adatto ad investigare il meccanismo di trasporto di carica nei semiconduttori organici. La struttura elettronica della molecola di 4HCB è stata quindi completamente caratterizzata per mezzo delle tecniche spettroscopiche XPS (spettroscopia di fotoemissione a raggi X), NEXAFS (spettroscopia della struttura fine vicino alla soglia di assorbimento dei raggi X) e RPES (spettroscopia di fotoemissione risonante). La caratterizzazione standard di un film spesso di 4HCB è stata combinata con il metodo chiamato "core-hole clock", attraverso il quale è possibile misurare il tempo di trasferimento di carica, tra molecole di 4HCB, di un elettrone di core eccitato in maniera risonante. Dalla misura della RPES sulla soglia dell'azoto risulta che sia il LUMO che il LUMO+2 sono degli stati elettronici nei quali l'elettrone eccitato ha un breve tempo di vita, poichè il tempo di trasferimento di carica è uguale a 0.9 e 1.4 fs nei due casi. Questa evidenza suggerisce che il trasporto di carica è mediato dai gruppi ciano del 4HCB e i due diversi valori trovati indicano che c'è una direzionalità nel trasporto di carica. Il secondo problema, quello delle interfacce ibride, viene affrontato studiando tre sistemi etero-organici donore/accettore costituiti dall'accoppiamento di tre diverse molecole derivate dalla molecola di esabenzocoronene (HBC), che sono il f-HCB, il c-HBC e il DBTTC, con il fullerene (C60). A causa della forma complementare delle molecole donore/accettore, sia l'inrfaccia c-HBC/C60 che quella DBTTC/C60 presentano una struttura supramolecolare autoassemblante nella quale le molecole di C60 sono intrecciate nella struttura ben ordinata del materiale donore. Lo stesso tipo di struttura supramolecolare non si osserva per l' interfaccia f-HCB/C60 nella quale la geometria piatta del f-HCB non combacia con la forma del C60. Questo ordine supramolecolare è stato sfruttato nei dispositivi fotovoltaici organici per aumentarne l'efficienza. Lo studio dettagliato della morfologia di questi sistemi a due strati, fatto sfruttando le tecniche spettroscopiche basate sulla luce di sincrotrone, rivela che mentre il f-HBC/C60 si può approssimare bene con un puro sistema a due strati, gli altri due sistemi presentano una fase mista all'interfaccia che non è possibile non considerare. Inoltre per tutti i sistemi si osserva una riorientazione delle molecole di HBC all'interfaccia anche se l'effetto è meno significativo per il f-HBC mentre è molto più forte sia per il c-HBC che per il DBTTC. L'assemblamento supramolecolare promette di essere una buona via per aumentare l'efficienza dei dispositivi fotovoltaici organici attraverso la formazione di nanostrutture ordinate che presentano estese interfacce disponibili per la dissociazione degli eccitoni. Nell'ultimo capitolo viene presentata un'applicazione dei semiconduttori organici nella fabbricazione di dispositivi elettrici. Il lavoro ha lo scopo di costruire una nuovo tipo di cella solare tandem basata sul grafene che spinga l'efficenza delle celle solari organiche verso quella dei dispositivi inorganici. Il lavoro ha lo scopo di costruire una nuovo tipo di cella solare tandem basata sul grafene che spinga l'efficenza delle celle solari organiche verso quella dei dispositivi inorganici. Il grafene rappresenta un'ottima opportunità come materiale da utilizzare nello strato di ricombinazione nelle celle tandem organiche. Infatti la sua alta trasparenza, accoppiata con l'alta conduttività, potrebbe dar luogo ad uno strato di ricombinazione che presenta una conduttività laterale, permettendo la creazione di celle tandem non in serie. Qui viene descritta una nuova tecnica per trasferire il grafene su un substrato organico. Il grafene è stato trasferito con successo utilizzando un processo che è compatibile con superfici fragili e chimicamente vulnerabili. Con il progredire della qualità del grafene questo processo potrebbe permetterne il trasferimento su diversi substrati a scelta rendendo possibile lo sviluppo del settore fotovoltaico di tipo organico, flessibile e trasparente.
Electronic devices based on organic semiconductors are nowadays the object of intense studies due to the fact that they have opened the way to a low-cost, large-scale, highly-adaptable electronic. However a good understanding of the structural and electronic properties of organic semiconductor is still needed in order to overcome the general low efficiency that organic devices present with respect to the inorganic ones. The main research efforts in this field can be grouped into two categories. On the one hand the bulk properties of organic semiconductors have been investigating through the study of their charge transport mechanism, which cannot be described by simply using the tools of inorganic materials. On the other hand the presence of numerous hybrid interfaces, between the active material and the other parts of an electronic device, both metallic or organic, pushes the study of their structural and electronic properties. Referring to this aspects two model systems will be considered in this work: an organic seminconductiong single crystal (OSSC) and a donor/acceptor interface. The 4-hydroxycyanobenzene (4HCB) molecule belongs to the class of OSSCs and it forms millimeter sized single crystals with strong anisotropic transport properties along the three crystallographic axes. The high purity, reduced contribution of defects and long range structural order of the OSSCs make 4HCB a suitable system to investigate the charge transport mechanism in organic semiconductors. The electronic structure of 4HCB molecule has been fully characterized by means of XPS (X-ray Photoemission Spectroscopy), NEXAFS (Near edge X-ray absorption Fine structure Spectroscopy) and RPES (Resonant Photoemission Spectroscopy) techniques. In particular the standard characterization of the thick film is combined with the core-hole clock method in order to extract the charge transfer time of a resonantly excited core electron inside a 4HCB solid. From the RPES on the N-edge results that both LUMO and LUMO+2 are short lived states with a charge transfer time equal to 0.9 and 1.4 fs respectively. This evidence suggests that the charge transport is mediated by the cyano group of 4HCB and the two different values indicate a directionality in the charge transport. The problem of hybrid interfaces is tackled studying three organic donor/acceptor heterojunction systems made up coupling different HBC (hexabenzocoronene) derivatives, namely f-HBC (flat HBC), c-HBC (contorted HBC) and DBTTC (dibenzotetrathienocoronene) with the C60 (fullerene). Due to their shape complementarity, both the c-HBC/C60 and DBTTC/C60 interfaces show a supramolecular self-assembled nanostructure in which the C60 molecules are interwoven between the well ordered structure of the donor material. The same kind of supramolecular nanostructure is not observed for the f-HCB/C60 interface in which the flat geometry of the HBC does not match the C60 shape. This supramolecular assembly has been exploited in organic photovoltaic (OPV) devices based on this systems in order to improve the overall power conversion efficiency. Here we report on the study of the detailed morphology of these bilayer systems, made using synchrotron based spectroscopic techniques. The results reveal that while the f-HBC/C60 can be well approximated with a pure bilayer system, the other two systems present a non negligible intermixed phase at the interface. Moreover for all the systems a reorientation of the HBCs is observed, the prominence of this effect being weaker for the f-HBC and much stronger for both the c-HCB and DBTTC systems. Supramolecular assembly represents a promising route to increase the efficiency of OPV devices through the formation of ordered nanostructures with extended interfaces available for exciton dissociation. In the last chapter an application of organic semiconductors in the fabrication of a real device is presented. The work aims at building a novel graphene-based tandem solar cell to push the organic solar cell efficiency toward the one of inorganic devices. Graphene represents a significant opportunity as a recombination layer in tandem organic photovoltaics. Its high transparency coupled with its high conductivity could enable a recombination layer that is laterally conductive, enabling a non-series tandem cell. Herein a novel techinque to transfer graphene onto organic substrate is described. Graphene was successfully transferred with a process that is compatible with low-energy, fragile, and chemically vulnerable surfaces. As graphene quality improves with further research this process may allow large-scale, patternable transfer to various substrates of choice enabling flexible and transparent organic photovoltaics.
XXV Ciclo
1985

2008/2009
The chemical transformations of supported PtRh particles ranging in size from a few micrometers to a few nanometres, and nanocrystalline films have been studied under identical oxidizing conditions by means of different chemical and structural characterization techniques; in particular the main technique used has been the scanning photoemission spectromicroscopy (SPEM) available at the EscaMicroscopy beamline of the Elettra Synchrotron Light Source. This novel experimental technique allows sample’s chemical mapping with a spatial resolution of 100nm and the acquisition of photoemission spectra on regions with the same dimension, and allow us to determine the chemical state of single micro-particles. In particular we studied PtRh cluster deposited by PLD (pulsed laser deposition) on a tungsten single crystal (W(110)) covered by a thin magnesium oxide film (MgO). Significant variations of the Pt and Rh atoms reactivity have been revealed by comparing the oxidation states of particles with different dimensions and, for the micron-scale particles, also within the same island. It was demonstrated that a selected oxidation occurs: rhodium atoms undergo stronger and faster oxidation than platinum ones. Furthermore, the oxidation process is composed by many intermediate steps, in which metastable oxides are formed. Very small cluster’s oxidation (<10nm diameter) is significantly faster then the bigger one (>100nm). Some morphological and structural clusters’ modifications after long oxidation treatments were also investigated using a high resolution SEM (<2nm lateral resolution). Other measurements have been performed by using a Low Energy Electron Microscope (LEEM) that combines a high spatial resolution (<5nm) to a high sensitivity to surface structural modifications. In particular the behaviour of the clusters’ polycrystalline structure has been studied during oxidation-reduction treatments. It has been shown that the clusters’ surface is polycrystalline and that each nano crystals have different crystallographic orientation. After oxidation each nano-crystal undergoes a different oxidation rate. The diffraction pattern revealed that after a long oxidation the long range order of the particles’ surface is completely lost. A characterization of the reactivity of the PtRh particles towards oxidation after an “ageing” process based on the repetition of many redox cycles has revealed a change in the stability of the oxides. Other experiments have been realized with SEM and EDX for studying the clusters’ morphology at different annealing temperatures. The results have shown structural, chemical and morphology changes.
XXII Ciclo
1976

2011/2012
Abstract (English) The current limit of knowledge advancement in proteomic analysis of gliomas, the most common primary malignant brain tumors, is related to the high sensitivity required to detect specific biomarkers within few cells volumes. To address this problem we developed a quantitative approach to eventually enable precise, high throughput and low cost analysis of glial cells with potential capability of real-time pathological screening and subtyping of brain tumors. A device consisting in micro-fabricated wells capable to isolate and host living astrocytes was designed and functionalized. Then for the fabrication of a nanobiosensor, able to detect in small volumes the presence of specific biomarkers, ideally for multiplexing assays and meant to fit within the small dimensions of this microdevice, an approach consisting in DNA-directed-immobilization (DDI) of biotinylated antibodies (Abs) on a single stranded DNA (ssDNA) nanoarray, produced by Atomic Force Microscopy (AFM) nanografting, was carefully optimized. The proof of concept was realized with Abs specific for Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP), a biomarker which belongs to the family of intermediate filaments and is crucial in cell’s differentiation, within a platform ready for parallelization. Nanosized patches of thiol modified ssDNA were prepared by AFM-based nanografting inside a matrix of self assembled monolayers (SAM) of alkanethiol-modified gold surfaces. Subsequently a complementary DNA strand (cDNA) conjugated to streptavidin (STV) was allowed to covalently bind to the patch by sequence specific DNA hybridization. Finally the biotin binding sites of STV were exploited to immobilize biotinylated monoclonal GFAP Abs (already in use for ELISA assays) on the top of those nanopatches. The efficiency of those nano-immuno arrays was tested by successfully obtaining the immobilization of purified recombinant GFAP protein, down to a concentration of 4 nM, firstly in standard PBS then in multicells’ lysate obtained from U87 glial cultures. The immobilization was detected by means of AFM measuring step by step the increases in the height of the patches and excluding modification of the roughness of both the SAM and the nanopatches after incubation with the cells’ lysate through a signal to noise ratio analysis. Titration curves for a comparison of sensitivity between this technique and the conventional ELISA assays are provided, they indeed confirm that the sensitivity of our nanosensors is at least that of ELISA, with the advantage of the scalability of the device.
Abstract (Italiano) L’attuale limite di avanzamento dello stato dell’arte dell’analisi proteomica dei gliomi cerebrali, la classe istologica di tumori cerebrali più frequente ed aggressiva, è legato alla difficoltà di individuare specifici biomarkers in piccoli volumi cellulari. Per superare questo limite si è deciso di sviluppare un approccio nanoquantitativo che consenta un’analisi proteomica precisa, ad alta sensibilità e basso costo, degli astrociti tumorali, con potenzialità di screening in tempo reale e sottotipizzazione di tumori cerebrali. Previa fabbricazione e funzionalizzazione di micro pozzetti idonei ad ospitare cellule astrocitarie, ci si è dedicati alla realizzazione di biosensori in grado di riconoscere specifici biomarkers e di essere accoppiati ai micro pozzetti. Al fine di immobilizzare anticorpi specifici per proteine di interesse in ambito neuroncologico, è stato scelto un approccio basato sul nanografting con Microscopio a Forza Atomica (AFM) e sull’immobilizzazione diretta sul DNA di anticorpi (DDI). In particolare la prova concettuale è stata condotta con anticorpi specifici per la Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP), un marcatore della differenziazione astrocitaria appartenente alla famiglia dei filamenti intermedi intracellulari, su una piattaforma atta ad una successiva parallelizzazione. I nanocostrutti responsabili del riconoscimento della proteina d’interesse, sono stati realizzati partendo da molecole di DNA a singola elica (ssDNA) graftate in una matrice di monostrati autoassemblati (SAM) di superfici d’oro alchiltiolo modificato. Al fine di sfruttare la capacità della streptavidina (STV) di legarsi ad anticorpi biotinilati è stata successivamente indotta l’ibridazione di un filamento di DNA complementare (cDNA) a quello precedentemente immobilizzato sulla superficie nanoassemblata che presentasse anche una coda di STV. I siti di legame per la biotina intrinseci al tetramero di STV sono quindi stati sfruttati per immobilizzare sulla superficie dei nanocostrutti degli anticorpi monoclonali biotinilati specifici per GFAP (già in uso per i protocolli ELISA). L’efficienza dei nano-immuno costrutti così ottenuti è stata testata ottenendo l’immobilizzazione di GFAP ricombinante anche a basse concentrazioni (fino a 4nM), sia in presenza di standard PBS, sia in presenza di un lisato multicellulare ottenuto da colture gliali di cellule U87. L’immobilizzazione di GFAP è stata confermata dall’incremento in altezza dei nanocostrutti misurato all’AFM escludendo modificazioni del rapporto segnale/rumore sia del SAM che dei nanocostrutti prima e dopo aggiunta di lisato multicellulare. Il limite di sensibilità del prototipo così ottenuto è stato confrontato con quello raggiungibile con protocolli standard ELISA, mostrando una sensibilità almeno comparabile all’ELISA a fronte di un maggiore potenziale diagnostico legato alla sua scalabilità.
XXV Ciclo
1979

2013/2014
Questa tesi raccoglie i risultati dell’attività di ricerca del mio dottorato che ha riguardato lo studio di molecole sottoposte a fotoionizzazione e il calcolo delle grandezze dinamiche coinvolte in questo tipo di processo. Una prima linea di ricerca ha seguito la descrizione degli effetti di interferenza e diffrazione nei profili di fotoionizzazione ad alte energie, attraverso un approccio basato sul metodo Density Functional Theory (DFT) accoppiato all’uso di una base di B-spline. Le oscillazioni derivanti da questi effetti di interferenza e diffrazione rappresentano un fenomeno universale, presente in tutte le molecole poliatomiche in esame, dalle biatomiche a quelle più complesse non simmetriche, dalla shell di core a quella di valenza più esterna. Nella regione di core abbiamo analizzato le oscillazioni presenti nel rapporto di intensità C2,3/C1,4 nello spettro di fotoelettone C 1s del 2-butino. Nella regione di valenza più interna abbiamo invece preso in esame gli spettri di fotoionizzazione di semplici molecole poliatomiche (propano, butano, isobutano e cis/trans-2-butene) e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli sperimentali raccolti presso il sincrotrone Soleil di Parigi. Abbiamo poi analizzato l’effetto dovuto all’emissione coerente da centri equivalenti e quello dovuto alla diffrazione da atomi vicini non equivalenti negli spettri di core e di valenza. Nell’ambito di questa analisi, abbiamo preso in esame acetileni mono e disostituti con fluoro e iodio, comparando i risultati con quelli ottenuti nel caso del più semplice sistema acetilenico. Ci siamo inoltre occupati dello studio di effetti di intereferenza nella ionizzazione di valenza esterna di semplici idrocarburi e, nella stessa regione, abbiamo analizzato come la struttura geometrica di composti permetilati, in particolare la distanza metallo-anello, influenzi i loro profili di fotoionizzazione. Infine, nella regione di valenza interna, sono stati considerati i profili di ionizzazione per il caso di Ar@C60. I risultati sono stati messi a confronto con quelli ottenuti da uno studio precedente sulla molecola di C60. Una seconda linea di ricerca ha invece seguito la descrizione delle osservabili di fotoionizzaione considerando il contributo della correlazione elettronica. Questo può essere fatto attraverso l’implementazione di un formalismo closecoupling dove la funzione del continuo finale è espressa secondo un’espansione analoga a quella Configuration Interaction (CI) per gli stati legati. Il primo livello dell’implementazione ab initio è stato quello di descrivere accuratamente solo la correlazione negli stati legati. A questo scopo, sono stati utilizzati gli orbitali di Dyson. L’uso di questi orbitali è stato applicato alla descrizione delle osservabili di fotoionizzazione nel caso della molecola biatomica CS. Nello spettro di questa molecola è infatti presente un satellite ben risolto dovuto a effetti di correlazione elettronica che non possono essere descritti a livello DFT.
The thesis is focused on the study of the dynamics of photoemission processes for atoms and molecules. A first line of research has followed the description of diffraction and interference effects in the photoionization profiles at high energy for several systems, through an approach based on the DFT method combined with the use of a B-spline basis. These diffraction and interference effects appear in the spectra as a result of wave propagation. The resulting oscillations represent a general phenomenon, present in polyatomic targets, from diatomics to complex non-symmetrical molecules, and from the deep core to the outer-valence shell. Firstly, in the core region, we analysed the oscillations in the intensity ratio C2,3/C1,4 in the carbon 1s photoelectron spectrum for 2-butyne. Then in the inner-valence shell region, the interference effects in the photoionization spectra of simple polyatomic molecules (propane, butane, isobutane and cis/trans-2-butene) were studied and the results have been compared with experimental data collected at the SOLEIL Synchrotron in Paris. Furthermore, we have analysed the effect due to coherent emission from equivalent centers and diffraction from neighbouring non-equivalent atoms in core and valence photoelectron spectra. For this, we investigated mono and disubstituted fluoro- and iodo-acetylenes and compared them to the simple acetylene system. We also focused on interference effects in the outer-valence ionization cross sections of simple hydrocarbons and, in the same shell, we also studied the influence of geometrical structures on photoionization profiles of permethylated compounds. Finally, in the inner-valence shell region, we considered the photoionization profiles for the case of Ar@C60. The results were compared with a previous study on the C60 molecule. A second line of research has followed the correlated description of photoionization observables. We developed a new method based on an ab initio closecoupling formalism. The use of the Dyson orbitals allowed to study the photoemission observables of highly correlated systems. As a first application of this method, we performed highly correlated calculations on the primary ionic states and the prominent satellite present in the outer-valence photoelectron spectrum of CS. Dyson orbitals are coupled to accurate one-particle continuum orbitals to provide a correlated description of energy-dependent cross sections, asymmetry parameters, branching ratios and Molecular Frame Photoelectron Angular Distributions (MFPADs).
XXVII Ciclo
1985

2008/2009
Neutron induced fission cross sections of 233U, 238U, 241Am, 243Am and 245Cm in the energy range between 500 keV and 20 MeV obtained at the n_TOF Neutron Time of Flight facility at CERN (Geneve) are presented. Fission fragments had been detected by a gas counter with good discrimination between nuclear fission products and background events. A comparison between the extracted cross sections, previous experimental results and evaluated libraries is reported.
In questa tesi sono presentate le sezoni d'urto indotte da neutroni di energia compresa tra 500 KeV e 20 MeV su 233U, 238U, 241Am, 243Am e 245Cm ottenute alla facility di tempo di volo n_TOF al CERN (Geneve). I frammenti di fissione sono stati rivelati da un contatore a gas con una buona capacit\`a di discriminare i prodotti di fissione dagli eventi di background. La tesi riporta un paragone tra le sezioni estratte, i dati sperimentali ottenuti in passato da altri gruppi e le principali librerie valutative.
1980

2008/2009
The importance of heterogeneous catalysis in chemical industry and its economic impact in today‟s society motivate the continuous research effort in this field. Transition metals are among the main ingredients of commercial catalysts due to their chemical properties which depend on their surface morphological and electronic structure. It is well known that their catalytic properties can be further improved by tuning particle size in the nanometre range or by alloying different transition metals. Nowadays it is possible to predict the variation of surface chemical properties on the basis of the d-band centre energy position, which is actually considered as one of the most reliable depicters of chemical reactivity. This physical quantity cannot be easily accessed by experimental measurement and is typically calculated using a theoretical approach. A promising approach to establish an experimental relationship between electronic structure and chemical reactivity relies on the use of X-ray Photoelectron Spectroscopy with third generation synchrotron radiation sources. Indeed, the high resolution achieved in the recent years has allowed the identification of the contributions originated from bulk and surface atoms in the core level photoemission spectra,thus determining what is usually named Surface Core Level Shift (SCLS). It has been shown that SCLS is a valuable probe of surface electronic structure, since the core level binding energy of an atom depends strongly on the local structural and chemical environment. In this thesis, the electronic structure modification induced by reduced coordination, surface strain, atomic rearrangement and ligand effects are investigated in different systems by means of High Energy Resolution Core Level Spectroscopy experiments, on several systems with different complexity. Pseudomorphic states of Pd, grown on a Ru(0001) surface, have been studied by comparing the calculated d-band center shifts of the differently coordinated atoms to the measured core level shifts of the same species, finding a strong relationship between these two physical quantities. For two of structures (1- and 2-Pd MLs/Ru(0001)) we tested the chemical reactivity by exposing the surfaces to oxygen. The results confirmed the relationship between d-band center shift, CLS and chemical reactivity. A more complex system is the one composed by Pd nanoclusters on Single Walled Carbon NanoTubes (SWCNTs), Highly Ordered Pyrolythic Graphite (HOPG) and Ir supported graphene sheet. The most relevant feature is the formation of a high BE component in Pd 3d5/2 spectrum, induced by those Pd atoms coordinated with surface defects. This interpretation has been suggested by the comparison of experimental results with the calculations on Pd/HOPG core level shifts for many different atomic species. For Pd/SWCNTs we studied also the oxidation mechanisms, ranging on a wide spectrum of oxidation conditions. Our results confirm the presence of a 2D oxide phase, as previously found on Pd single crystal, with some different behaviour induced by the reduced size of our particle Finally, the growth mechanisms and the chemical reactivity of Pt nanoclusters, supported on a MgO thin film has been studied by both energy and time resolved x-ray photoemission spectroscopy. The CO oxidation reaction has been investigated for different temperatures and different clusters‟ size, resulting also in a deeper comprehansion of the clusters‟ morphology.
XXII Ciclo
1979

2011/2012
We present a search for physics beyond the standard model (SM) through a measurement of the violation of the charge-parity (CP) symmetry in two decays of the Bs meson using data collected by the Collider Detector at Fermilab (CDF) in proton-antiproton collisions at the center-of-mass energy of 1.96 Tev. We exploit the decays Bs->Jpsi (->mu mu) phi(-> KK) and Bs -> phi(-> KK) phi(-> KK), for which the SM accurately predicts very small or vanishing CP violation; both decay modes are very sensitive to new sources of CP violation expected in a broad class of SM extensions. We analyze the time-dependent CP asymmetry of the Bs->Jpsi phi decays collected in the full CDF Run II dataset for providing the final measurement of the Bs-antiBs mixing phase, 2*betas, and we present the first measurement of CP violation in Bs -> Phi Phi decays, through the determination of two time-integrated CP asymmetries, Av and Au, using an original method developed in this work. We find: -0.06< betas<0.30 at the 68% confidence level; Av=(-12.0 +/-6.4(stat) +/- 1.6(syst))%; and Au=(-0.7 +/-6.4(stat) +/- 1.8(syst))%. In addition, we provide measurements of the decay width difference between the light and heavy mass eigenstates of the Bs meson, DeltaGamma_s=0.068 +/- 0.026(stat) +/- 0.009(syst) ps^{-1}; and of their mean lifetime, tau_s=1.528 +/- 0.019(stat) +/- 0.009(syst) ps. All results are among the most precise determinations from a single experiment and exhibit an excellent agreement with the SM predictions. They have been published in two letters in Physical Review.
XXV Ciclo
1985

2011/2012
Nel vasto scenario dei materiali fortemente correlati gli ossidi dei metalli di transizione hanno attratto enorme interesse a causa delle loro interessanti proprietà fisiche, come ad esempio, la superconduttività nei cuprati e la magnetoresistenza gigante nelle manganiti. In particolare, il mio interesse è stato rivolto ad una specifica classe di materiali, per i quali la dimensionalità è il parametro più importante. Le attività sperimentali sono state focalizzate verso due sistemi: la manganite Pr0.5Ca1.5MnO4 dopata a metà e a strato singolo (hd-PCMO) e la famiglia dei rutenati Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3). Entrambi questi sistemi esibiscono fenomeni affascinanti strettamente legati ad una complicata interazione tra i gradi di libertà del reticolo cristallino, di spin, di carica, ed orbitale, dove la dimensionalità cristallina gioca un ruolo cruciale. Con il mio progetto di dottorato ho studiato alcune proprietà dei materiali sopracitati per mezzo di spettroscopie con raggi X, come l’emissione risonante di raggi X (RXES) e l’assorbimento di raggi X (XAS) statico e risolto in tempo. Tutte le misure sono state condotte utilizzando la linea di luce BACH (linea di luce per dicroismo avanzato) dell’anello di accumulazione Elettra della Elettra-Sincrotrone Trieste. Il sistema hd-PCMO presenta una transizione di ordinamento di carica ed orbitale (CO-O) ad una temperatura TCO relativamente elevate, i.e. 340 K, accompagnata da una distorsione strutturale ortorombica, dove i portatori di carica fortemente correlati eg del Mn si ordinano in sotto-reticoli cristallografici separati (stato di carica ordinato) con un carattere orbitale specifico (stato di ordinamento orbitale). Inoltre, hd-PCMO presenta anche una risposta reticolare anomala ad una temperatura 20 K sopra la temperatura di Neél TN, che è associata ad un inatteso accoppiamento spin-reticolo. Poiché mancava uno studio degli stati elettronici non occupati del PCMO, misure dipendenti dalla temperatura per mezzo del dicroismo lineare (XLD) sono state realizzate alle soglie K dell’ossigeno e L3 del Mn al fine di spiegare il ruolo della topologia orbitale dei Mn 3d – O 2p. I dati sperimentali, supportati da calcoli ab-initio LDA+U, ci danno informazioni sulla ridistribuzione di carica e sui cambiamenti delle p-DOS alla transizione CO-O e a quella antiferromagnetica (AFM). I risultati ottenuti mostrano che l’interazione competitiva tra la distorsione locale atomica, necessaria per permettere l’ordinamento CO, e le dinamiche di carica del meccanismo di hopping regolano lo stato orbitale dei portatori di carica. Inoltre, sulla base di studi teorici che predicono la formazione di fasi orbitali e strutturali transienti “nascoste” per mezzo della stimolazione ottica, abbiamo studiato le DOS non occupate dello stato metastabile indotto otticamente nel PCMO per mezzo della XAS risolta in tempo, che offre uno strumento unico per misurare le DOS proiettate in sito ed in simmetria degli stati metastabili della materia. Le misure XAS risolte in tempo alla soglia K dell’ossigeno sono state realizzate per mezzo di un nuovo apparato sperimentale disponibile a BACH, che si basa su un laser Ti:zaffiro (impulsi di pompa) con tasso di ripetizione variabile sincronizzato con gli impulsi a 500 MHz dei raggi X (impulsi di sonda). L’evoluzione temporale degli spettri XAS attraverso la transizione CO-O fotoindotta otticamente risulta differente rispetto alle misure XAS adiabatiche, dimostrando l’esistenza di una “fase nascosta” fotoindotta nel PCMO, la cui natura è ancora sconosciuta. I rutenati Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) sono emersi come una famiglia importante di peroschiti a causa dell’evoluzione inattesa e senza precedenti dal comportamento anisotropico ferro- o metamagnetico del Sr4Ru3O10 (n=3) dipendente dalla direzione del campo magnetico, all’ aumentato paramagnetismo di Pauli vicino all’ordinamento magnetico del Sr3Ru2O7 (n=2) e, infine, alla superconduttività a bassa temperature in Sr2RuO4 (n=1). Nonostante vengano riportati numerosi studi sulle proprietà strutturali e magnetiche di questi composti, l’evoluzione delle strutture elettroniche occupate e non occupate non è stata investigata in dettaglio. Quindi, la dipendenza delle strutture elettroniche e l’ibridizzazione degli stati 2p dell’ossigeno sono state investigate combinando la spettroscopia XAS alla soglia K dell’ossigeno (transizione 2p-1s) dipendente dalla polarizzazione e la spettroscopia RXES. Una sezione del capitolo 3 è dedicata ad illustrare un setup sperimentale sviluppato recentemente per esperimenti XAS risolti in tempo sfruttando la struttura temporale “multibunch” dell’anello di accumulazione del sincrotrone. Sfruttando le potenzialità di questo setup, la transizione di superficie semiconduttore-metallo nel germanio cristallino è stata fotoindotta ed il set completo di dati viene discusso. Lo schema della mia tesi di dottorato è il seguente. Il primo capitolo presenta una panoramica dell’intero lavoro. Il secondo capitolo è diviso in due sezioni. La prima sezione introduce il lettore alla fisica orbitale ed alle transizioni di fase elettroniche nei metalli di transizione a ridotta dimensionalità, con un excursus sullo stato dell’arte dei composti 3d del manganese e la famiglia 4d dei rutenati. L’intento della seconda sezione è quello di spiegare l’importanza delle tecniche spettroscopiche nei raggi X molli come strumenti per investigare le proprietà elettroniche dei solidi. La descrizione delle spettroscopie XAS e RXES vengono riviste più in dettaglio nel capitolo 3, che include anche la descrizione dell’apparato sperimentale della beamline BACH e del laboratorio T-ReX al Sincrotrone Elettra. Il capitolo 4 è dedicato alla teoria funzionale di densità (DFT) ed alla approssimazione locale di densità più U (LDA+U) ed ai dettagli del modello del sistema hd-PCMO. Il capitolo 5, che presenta i casi studiati, è diviso in due sezioni: il caso del PCMO, che include le misure XAS statiche e risolte in tempo, ed il caso della serie Ruddlesden-Popper dei rutenati di Sr investigate per mezzo della RXES. Nel capitolo finale vengono presentati i commenti finali su questo lavoro.
In the vast scenario of strongly correlated-electron materials transition-metal oxides have attracted enormous interest because of their interesting physical properties, including for example, superconductivity in cuprates and colossal magnetoresistance in manganites. In particular, my interest was directed to a particular class of materials, whose dimensionality is the most defining material parameter. With my Ph.D. project I deepened into some physical properties of these materials by means of core-levels spectroscopies such as resonant x ray emission (RXES) and static and time-resolved x ray absorption (XAS). All the measurements have been carried out at the beamline BACH (Beamline for Advanced diCHroism) at the Elettra light source facility in Trieste. The experimental activities focused on two case-study systems: the single layered half-doped Pr0.5Ca1.5MnO4 (hd-PCMO) and the layered Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) family. Both these systems exhibit fascinating phenomena intimately related to a complicated interplay between the crystal lattice, spin, charge, and orbital degrees of freedom, where crystal dimensionality plays a crucial role. hd-PCMO exhibits a charge-orbital ordering (CO-O) transition at a remarkably high TCO, slightly above room temperature, accompanied by an orthorhombic structural distortion, where the strongly correlated Mn eg charge carriers order onto separate crystallographic sub-lattices (charge-ordered state) with a specific orbital character (orbital ordered state). Furthermore, hd-PCMO also displays an anomalous lattice response at temperatures 20K above the Neél temperature TN, which is associated to an unexpected spin-lattice coupling. Since a study of the PCMO unoccupied electronic states was lacking, temperature dependence measurements by XAS linear dichroism (XLD) have been performed at the O-K and Mn-L3 thresholds in order to elucidate the role of Mn 3d - O 2p orbital topology. The experimental data, supported by ab-initio LDA+U, shed light on the charge redistribution and p-DOS changes at the CO-O and antiferromagnetic (AFM) transitions. The results obtained show that the competitive interplay between the local atomic distortion, necessary for accomodating the CO-ordering, and the charge dynamics of the hopping mechanism regulates the orbital state of the charge carriers. Furthermore, on the basis of theoretical studies that predict the formation of transient “hidden” orbital and structural phases by optical stimulation, we have studied the unoccupied DOS of the optically induced metastable state in PCMO by means of time resolved XAS, which offers a unique tool to measure site and symmetry projected DOS of metastable states in matter. Tr-XAS measurements at the O-K edge have been carried out by means of a novel experimental apparatus available at BACH, which is based on a variable repetition rate Ti:sapphire laser (pump pulse) synchronized with the ∼ 500 MHz X-ray photon pulses (probe pulses). The time evolution of the XAS lineshapes across the optically photoinduced CO-O transition results different respect to the adiabatic XAS measurements, demonstrating the existence of a photoinduced “hidden phase” in PCMO, whose nature is still unknown. The layered Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) have emerged as an important family of perovskites because of the unexpected and unprecedented evolution from anisotropic ferro- or metamagnetic behavior of Sr4Ru3O10 (n=3) dependent on the direction of the magnetic field, enhanced Pauli paramagnetism close to magnetic order of Sr3Ru2O7 (n=2) and, finally, to low-temperature superconductivity in Sr2RuO4 (n=1). Although numerous studies have been reported on the structural and magnetic properties of these compounds, the evolution of the occupied and unoccupied electronic structures were not investigated in detail. Thus, the dependence of electronic structures and the hybridization of O 2p states have been investigated by combining polarization dependent O K (2p-1s transition) XAS and RXES spectroscopies. A section of the chapter 3 is dedicated to illustrate a newly developed experimental setup for time-resolved XAS experiments by exploiting the multibunch time structure of a synchrotron storage ring. By exploiting the capabilities of this setup, the surface semiconductor-metal transition in crystalline germanium has been photoinduced and the complete set of data discussed. The outline of my Ph.D. thesis is the following. The first chapter presents an overview of the entire work. The second chapter is divided into two sections. The first section introduces the reader into the orbital physics and the electronic phase transitions in low dimensional transition metal oxides, with an excursus on the state of the art of 3d manganese compounds and the family of 4d Ruthenates. The second section is aimed to explain the importance of soft x-ray spectroscopic techniques as tools to investigate the electronic properties of solids. The description of XAS and RXES are reviewed in more details in chapter 3, which includes also the description of the experimental apparatus of BACH beamline and T-ReX lab at the Elettra synchrotron light source. Chapter 4 is dedicated to the Density Functional Theory (DFT) and Local Density Approximation plus U (LDA+U) theories and to the details of the modelling of the hd-PCMO system. Chapter 5, which presents the cases studied, is divided into two sections: the case of PCMO, including static and time resolved XAS measurements, and the case of Ruddlesden-Popper series of Sr Ruthenates investigated by means of RXES. In the final chapter the concluding remarks on this work are presented.
XXV Ciclo
1983

2009/2010
Riassunto Presso la linea di diffrazione MCX (Material Characterization by X-ray diffraction) del Sincrotrone di Trieste e' stata messa a punto una stazione sperimentale che consente di eseguire analisi "in situ" di nanostrutture. Il sistema e' indipendente dal diffrattometro e consente di ottenere in tempi ridotti (grazie all’uso di un Imaging Plate come detector) pattern di diffrazione da polveri o film sottili. La stazione sperimentale e’ dotata di un forno che puo’ riscaldare i campioni fino a 1000ºC. Inoltre e' stato implementato un sistema che consente il flusso di gas attraverso i campioni (contenuti in capillari di vetro o quarzo). L'interfacciamento e' stato realizzato attraverso il software Labview. La struttura e’ stata collocata su un tavolo mobile per agevolarne lo spostamento nell'hutch solo quando necessario. Nel 2009 e' stata accolta l’utenza che ha portato a termine le prime misure. Sono previste le necessarie modifiche che daranno la possibilita' di usare la stazione anche per misure SAXS e di reazioni catalitiche. Abstract An Experimental Station has been set up at the MCX (Material Characterization by X-ray diffraction) beamline at the Italian National Synchrotron Radiation facility ELETTRA (Trieste, Italy). The main goal of the system is the possibility to perform “in situ” analysis of nanostructures. This new capability is independent of the diffractometer (an Imaging Plate has been chosen as a detector) and allows to reduce the required times to obtain diffraction patterns from powder samples and thin films. The Experimental Station is equipped with a furnace that heats the samples till 1000ºC, while the implementation of a gas line allows to flow gases through the samples (placed in glass or quartz capillaries). A Labview program has been developed to control the system. The system is located on a wheeled table, so it can be easily moved inside and outside the hutch only when necessary. In 2009, the first users performed their experiments by using this experimental station. Some developments are planned to allow both Small Angle X-ray Scattering (SAXS) experiments and to follow sample behaviour during catalytic reactions.
XXIII Ciclo
1975

2009/2010
ABSTRACT DEVELOPMENT OF MICROFLUIDIC DEVICES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS OF SYNCHROTRON RADIATION INFRARED MICROSPECTROSCOPY by Birarda Giovanni The detection and measurement of biological processes in a complex living system is a discipline at the edge of Physics, Biology, and Engineering, with major scientific challenges, new technological applications and a great potential impact on dissection of phenomena occurring at tissue, cell, and sub cellular level. The present PhD Thesis dealt with the development of methodologies and technologies to transform InfraRed MicroSpectroscopy (IRMS) into a mature technique to observe in real time biological events, and improving its ability to perform in vitro bio-experiments under physiological conditions. This goal has been achieved through the exploitation of microfabrication techniques to realize lab-on-chip (LOCs) transparent both in the Infrared and Visible region (IR-Vis), which allows measuring living cells. Up to now, IRMS has been almost exclusively employed for studying fixed cellular samples or tissues, allowing acquiring only “still frames” of the phenomena under investigation. The reason for that is to be ascribed both to the spectroscopic difficulties in working in water based environment and to the manufacturing constrains of the most common IR transparent materials, that limit the design flexibility of LOC devices suitable for IR analysis. We have overcome the so called “water absorption barrier” by extending microfluidic concepts to calcium fluoride, implementing innovative fabrication solutions for the realization of custom devices for IRMS studies of living cells subjected to different chemical and physical stimuli. Exploiting the high brightness of Synchrotron Radiation (SR) IR sources, that allows sampling at diffraction limited spatial resolution, we demonstrated the feasibility of the detection of intra-cellular processes. In parallel, novel strategies for IR data acquisition and analysis have been developed, opening the possibility to execute novel original experiments. Our studies were focused on the immune system, and in particular in evaluating the biochemical rearrangements characterizing human circulating leukocytes during their deformation, either when induced by purely mechanical stimuli or in response to a chemical gradient. Thanks to the microfabrication approach, we were able to mimic the cellular microenvironment both for studying pressure-driven micro-capillary circulation and chemically-driven extravasations of white blood cells. The present Thesis demonstrates that the “synergy of micro-approaches”, or rather the combination of micro-fabrication and IR micro-spectroscopy, can be exploited for extending the frontiers of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to unexplored fields of life sciences. Through the careful control of the cellular microenvironment, crucial for an accurate data analysis as well as fundamental for the reliability of biological conclusions, some light could be shed on phenomena never investigated with IRMS, such as mechano-biology we directly explored, pulling down the water-barrier.
RIASSUNTO SVILUPPO DI DISPOSITIVI MICROFLUIDICI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE DELLA MICROSPETTROSCOPIA INFRAROSSA CON RADIAZIONE DI SINCROTRONE di Birarda Giovanni L’identificazione e la quantificazione di processi biologici in un complesso sistema vivente può essere ritenuta una disciplina al confine tra la Fisica, la Biologia e l’Ingegneria, con importanti sfide scientifiche, innovazioni tecnologiche e un grande impatto sulla dissezione di fenomeni a livello tissutale, cellulare e sub cellulare. Il presente lavoro di Dottorato ha avuto come obiettivo lo sviluppo di metodologie e tecnologie atte a rendere la MicroSpettroscopia InfraRossa (MSIR) una tecnica matura allo studio in tempo reale di fenomeni biologici, permettendo di effettuare esperimenti “in vitro” in condizioni fisiologiche. Questo obiettivo è stato raggiunto tramite l’utilizzo delle tecniche di microfabbricazione per la realizzazione di un “Lab-on-Chip” (LOC) trasparente sia nella regione dell’infrarosso che nel visibile, tramite il quale misurare cellule vive. Infatti fin’ora la MISR è stata impiegata quasi esclusivamente per lo studio di campioni di tessuti o di cellule fissati, permettendo di registrare solo “singoli fotogrammi” dei fenomeni sotto indagine. La ragione di questa limitazione è da imputarsi alle difficoltà spettroscopiche che si incotrano nell’investigazione di sistemi acquosi e ai limiti di fabbricazione dei più comuni materiali IR trasparenti, che hanno limitato la flessibilità di design necessaria alla realizzazione di LOC adatti alle analisi tramite MSIR. Siamo riusciti a superare la cosiddetta “barriera di assorbimento dell’acqua” tramite l’estensione dei concetti della microfluidica e dellamicrofabbricazione al calcio fluoruro, implementando soluzioni fabbricative che hanno permesso lo studio tramite MSIR di cellule viventi sottoposte a differenti stimoli sia di natura chimica che fisica. Grazie all’alta brillanza della Radiazione di Sinctrotrone (SR) IR, che permette il campionamento con una risoluzione spaziale al limte di diffrazione, abbiamo dimostrato la fattibilità dell’individuazione dei processi intra celluari. Contemporaneamente sono state sviluppate nuove strategie per l’acquisizione dei dati e per la loro analisi, permettendo il design di esperimenti innovativi. I nostri studi si sono concentrati sullo studio del sistema immunitario, in particolare nella valutazione della risposta biochimica caraterristica dei leucociti circolanti durante la loro deformazione, sia indotta da cause di tipo puramente meccanico, sia in risposta a gradienti chimici. Grazie alla microfabbricazione, siamo stati capaci di simulare il microambiente cellulare sia per lo studio dei globuli bianchi durante la circolazione microcapillare sia durante l’extravasazione indotta da gradienti chimici. La presente Tesi dimostra che la sinergia dei “micro” approcci, o piuttosto la combinazione di microfabbricazione e microspettroscopia IR, può essere usata per estendere le frontiere della MSIR a nuovi campi nello studio delle scienze della vita. Attraverso il preciso controllo del microambiente cellulare, cruciale per un’accurata analisi dei dati e fondamentale per l’attendibilità delle conclusioni biologiche, si possono chiarire fenomeni finora mai investigati tramite MSIR, come la meccano-biologia che abbiamo esplorato direttamente, abbattendo la barriera dell’acqua.
XXIII Ciclo
1981

2010/2011
Under physiological conditions in the brain, molecules are released with high spatial and temporal resolution. A lot of efforts have been done in the last years in order to develop techniques that mimic this situation. Among them, we mention the use of micropipettes for the ejection of fluids, the use of AFM (Atomic Force Microscopy), microfluidic devices and optical manipulation. The latter approach exploits light to manipulate the samples, e.g. to create transient pores in the cell membrane or to move small objects carrying a stimulus. This Thesis concerns with the development of new techniques for the local delivery of molecules based on optical manipulation technologies, and in particular on optical tweezers. Sub-micrometer particles in a compact trap, such as the single-beam gradient or optical tweezers, can be localized within a small fraction of a wavelength of light or moved over long distances of many centimeters without any mechanical contact. A three-dimensional trap is simply created by focusing a laser beam through a microscope objective with high numerical aperture. We studied three types of vectors for local delivery of molecules, which can be optically manipulated: microbeads, micron-sized liposomes and Quantum dots (Qdots). Silica microbeads can be covalently functionalized on their surface with the protein of interest and placed in contact with the desired part of a cell. In order to validate the technique, we functionalized beads with a secretory molecule, the neurotrophin Brain-derived neurotrophic factor (BDNF). BDNF is a key regulator of neuronal development and plasticity. We showed that single BDNF-coated microbeads can be extracted with optical tweezers from small reservoirs and positioned with submicrometric precision to specific sites on the dendrites of cultured hippocampal neurons. Localized contact of microbeads functionalized with BDNF induced focal increase of Calcium signaling in the stimulated dendrite, specific activation of the TrkB receptor pathway and influenced the development of growth cones. Remarkably, a single BDNF-coated bead positioned on a dendrite was found to be enough for TrkB phosphorylation, an efficient and long-lasting activation of Calcium signaling in the soma, and c-Fos signaling in the nucleus, comparable to bath stimulation conditions. Moreover, since BDNF is covalently cross-linked to the bead surface we could demonstrate that activation of some of the TrkB receptor pathway does not necessarily require BDNF endocytosis. In the case of liposomes, the molecules of interest were encapsulated within their lumen. Single liposomes were trapped and transported by means of optical tweezers to the site of stimulation on cultured neurons. Finally, the release of liposome content was induced by application of UV-pulses that broke the liposome membrane. In order to test the effect of the UV-induced release, liposomes with a diameter ranging from 1 to 10 μm (fL to pL volumes), were filled with KCl and tested on neuronal cells. Neuronal cultures, loaded with Ca2+ dye, were monitored by imaging intracellular Ca2+. An efficient release from the liposomes was demonstrated by detectable Calcium signals, indicating induced depolarization of the neuronal cells by KCl. Afterwards, this technique was used to address a biological issue, that is the effect of two proteins (Semaphorin 3A and Netrin-1) on growth cones. The growth cone is an intracellular apparatus located at the tip of the neurite of developing neurons. Its motility governs axonal path-finding and the construction of neuronal networks. Growth cones are highly dynamic structures that respond to external stimuli turning towards or away from the chemical gradient. We were able to demonstrate an attractive effect of Netrin-1 on the growth cones of primary hippocampal neurons. On the contrary, Semaphorin 3A showed a repellant behavior. To correlate the high resolution of vector manipulation with high resolution of imaging we used STimulated Emission Depletion (STED) to investigate the intimate organization of two main cytoskeleton components: actin and tubulin filaments. STED microscopy allowed imaging of actin bundles in the filopodia and organized network in lamellipodia with un-precedent resolution, beyond the diffraction barrier. Lastly, we used liposomes to encapsulate Quantum dots. Qdots are bright and photostable nanocrystals. Due to their small size, similar to that of proteins, Qdots may be endocyted along the receptor-mediated endocytosis pathway, when they are functionalized with the appropriate ligand. As case study we considered the BDNF-TrkB endocytotic pathway. We optimized the protocol for the direct binding of BDNF to Qdots and we demonstrated the possibility of encapsulating and releasing them from liposomes. Concluding, two different approaches for local stimulation of neurons, based on optical manipulation of microvectors, were presented and validated in this thesis. Indirect optical manipulation of nanovectors (Qdots) encapsulated in liposomes has been demonstrated as well. The techniques were then successfully applied to address some biological issues, that in turn required the optimization of other imaging tools (super resolution microscopy and Qdots).
XXIV Ciclo
1984

2010/2011
The objective of this project was to develop new nanotechnology-based strategies to increase embryonic stem cells (ESCs) differentiation into neuronal lineage. In particular it was chosen to investigate a nanostructured physical support for in vitro stem cell culture in which both the nanometrical topography and mechanical properties are well controlled and characterized. Nanopatterned substrates were designed to have physical properties as close as possible to the in vivo microenvironment where stem cells normally grow and differentiate based on the assumption that mimicking the natural niche equilibrium is of fundamental importance for stem cell fate. First, an original nanotechnological approach to fabricate the substrates for in vitro neuronal precursors culture was developed. Secondly the substrate geometrical and mechanical parameters were optimized in order to achieve the maximum differentiation yield of ESCs-derived neuronal precursors (NPs). It was reached a neuronal yield of 74±7% at 48 hours after NPs differentiation induction, which represents the highest yield ever published using nanopatterned substrates with controlled and highthroughput reproducible nanometrical features for cell culture. Moreover it was demonstrated that the mechanical properties of the substrate play a major role with respect to other parameters, such as substrate composition and geometry. A time-dependent analysis showed that the first hours after cell seeding are crucial in the determination of the final differentiation yield. A further control of ESCs differentiation by manipulating the substrates physical parameters, required a deep understanding of the cell-substrate interaction, therefore it was studied the behavior of neuronal precursors when placed and grown on different artificial substrates using atomic force microscope, scanning electron microscope, and single cell force spectroscopy measurements. The latter lead to a quantification of the forces that develop between neuronal precursors and substrate and provided a clear relationship between adhesion forces and differentiation. My results suggested the importance of the physical parameter involved in the regulation of the neuronal differentiation and to new guidelines for future applications in regenerative medicine.
XXIV Ciclo
1984

2011/2012
La mia Tesi di Dottorato si occupa dello studio della formazione stellare cosmica e delle galassie con formazione stellare (SFG), sia dal punto di vista osservativo che teorico. La formazione stellare è uno degli elementi chiave per comprendere la composizione e l'evoluzione delle galassie. Per identificare le galassie con formazione stellare è cruciale sfruttare informazioni multispettrali per ottenere una stima migliore del tasso di formazione stellare. La formazione stellare istantanea in una data galassia può essere stimata attraverso la misura di un indicatore collegato all'emissione da stelle giovani, massive e con vita breve. Tuttavia la maggior parte di questi indicatori sono affetti da forti incertezze. Va sottolineato che è possibile identificare le regioni di formazione stellare solo nelle galassie locali a causa della limitata risoluzione angolare strumentale, mentre per le galassie distanti è necessario affidarsi all'emissione totale di ciascuna galassia. Il mio lavoro scientifico si focalizza su due bande non affette da assorbimento, tipicamente una delle maggiori cause di incertezza, le bande X e radio. L'emissione X è principalmente associata alle binarie X di grande massa (HMXB), velocemente formate con la popolazione stellare di grande massa, mentre l'emissione radio è dovuta all'emissione termica di bremsstrahlung dalle nubi HII associate alle regioni di formazione stellare. Distinguere il segnale della formazione stellare da altri contributi ad alto redshift è complicato. Per studiare questo problema mi avvalgo dei più profondi dati disponibili, in una delle regioni del cielo più osservate, il Chandra Deep Field South (CDFS). La survey radio con il Very Large Array (VLA) telescope dell'Extended Chandra Deep Field South (E--CDFS), e le osservazione profonde in banda X, permettono di esplorare la possibilità di tracciare la passata storia di formazione stellare cosmica usando la combinazione di dati X e radio. Il nostro scopo è l'identificazione delle sorgenti la cui emissione è dovuta a formazione stellare nelle bande radio e X. Un'analisi spettrale completa delle controparti X delle sorgenti VLA, supportata dai redshift ottici disponibili, ci permette di caratterizzare le loro proprietà X, e ci fornisce una classificazione robusta di galassie con formazione stellare e AGN. L'identificazione delle sorgenti con emissione dominata da processi di formazione stellare è stata fatta per mezzo di molti criteri nelle bande radio e X.La forte correlazione della SFR con la luminosità hard X nel nostro campione di galassie ad alto redshift mostra che le survey X possono fornire uno strumento potente e indipendente per misurare la SFR istantanea nelle galassie distanti. Comunque i nostri dati indicano anche che la complessa fisica dietro l'emissione radio e X associata alla formazione stellare può introdurre una significativa dispersione nella relazione tra la SFR e $L_X$. La seconda parte della tesi si occupa della modellizzazione teorica di galassie starburst utilizzando modelli di evoluzione chimica. Il modello consiste di un modello a una zona dove la galassia si forma per accrescimento (infall) di gas primordiale (nessun metallo). Il gas forma stelle, che a loro volta arricchiscono il mezzo interstellare (ISM) con nuovi elementi. Le supernovae (SNe) rilasciano parte della loro energia nell'ISM e, se l'energia termica del gas così riscaldato super quella di legame del gas, si sviluppano dei venti che espellono principalmente i metalli. Il confronto con la SFR, il tasso di SN e la metallicità di galassie locali (M82) e ad alto redshift ci porta ai seguenti risultati: Le galassie starburst ad alto redshift sono galassie massive. Quelle di piccola massa possono essere osservate solo nell'universo locale; Uno scenario che prevede molti burst brevi e molto efficienti riproduce meglio la SFR osservata e le abbondanze chimiche; Un'alta formazione stellare ($\nu > 10$ Gyr$^{-1}$) produce venti efficienti e arricchiti in metalli, che espellono una frazione importante della massa; Il confronto dei modelli con la galassia starburst locale M82 mostra che la galassia è in una fase di burst corto ed efficiente ($\nu > 5$ Gyr$^{-1}$) e che una IMF diversa dalla Salpeter riproduce meglio i dati; Solo i modelli con più burst corti e altamente efficienti raggiunge l'alta formazione stellare osservata ad alto redshift. Questo suggerisce che stiamo osservando le fasi di burst di queste galassie, mentre i periodo più quiescenti sono sotto il flusso limiti di osservabilità.
XXIV Ciclo
1984

2012/2013
Questa tesi è divisa in tre sezioni: nella prima parte viene studiata la connessione tra Gamma Ray Bursts (GRB) e supernovae (SN) e il confronto tra il tasso cosmico di esplosione di SNIb/c e GRB; per tasso cosmico si intende il numero di eventi che avviene nell'unità di tempo in un volume unitario comovente di Universo. Nella seconda parte, ci concentriamo sull'evoluzione chimica di galassie di diverso tipo morfologico. In questa parte, come modello di prova utile per analizzare sistemi sferoidali, viene sviluppato un modello per il Bulge della nostra Galassia. Infine, nella terza parte del presente lavoro, descriviamo il metodo utilizzato per identificare le galassie ospiti dei GRB presi in considerazione per mezzo di abbondanze e rapporti di abbondanza; i modelli di evoluzione chimica usati in quest'ultima parte del lavoro di tesi includono la trattazione della polvere e il calcolo dei tassi cosmici legati alla polvere.
This thesis is divided into three sections: in the first part we explore the connection between Gamma Ray Bursts (GRBs) and supernovae (SNe) and the comparison between the cosmic SNIb/c and GRB rates ( i.e. in a unitary comoving volume of the Universe). In the second part, we focus on the chemical evolution of galaxies of different morphological type. In this part, as a test case for spheroidal systems, we develope a model for the Galactic bulge, which is similar to an elliptical of the same mass. Finally, in the third part of the work, we describe the method used to identify the GRBs hosts galaxies by means of abundances and abundance ratios using chemical evolution models including dust and the calculation of cosmic rates related to the dust.
XXVI Ciclo
1982