coordinators: giuseppe.barillaro@unipi.it, filippo.costa@unipi.it
The topic Smart Material Devices (SMD) has been identified as one of the four frontier research lines underlying the so-called Industry 5.0 – the industrial paradigm of the future centred on humans (unlike approaches pursued so far, which put the productive process at the centre with the aim of optimizing it – e.g., Industry 4.0) and intrinsically characterized by sustainability.
Smart Material Devices are a new generation of reconfigurable, adaptive, and eco-friendly ICT devices and systems that exploit micro- and nano-structured materials, innovative configurations, and architectures, allowing their application to be adapted and their performance to be optimized based on usage conditions, industrial requirements, and emerging applications.
SMD include reconfigurable metamaterials and metasurfaces for mobile communications, multifunctional (bio)sensors that can be integrated into fabrics and/or biodegradable for monitoring environmental and personal parameters, optoelectronic devices and circuits based on 1D and 2D materials made on silicon substrates and/or printable on flexible substrates.
Research carried out within the SMD line has a wide spectrum impact, ranging among:
- Wearable and implantable bioresorbable sensing systems;
- Wireless microwave and mm-wave passive sensing;
- On-chip silicon thermoelectric devices: Scavenging and microharvesting;
- 3D and 4D printing of smart devices;
- SiC-based Power Converters Modeling and Design;
- Shot noise in graphene sensors Design;
- RFID sensors Design;
Gli Smart Material Devices sono una nuova generazione di dispositivi e sistemi ICT riconfigurabili, adattivi ed ecologici che sfruttano materiali micro e nanostrutturati, configurazioni e architetture innovative, consentendo di adattare la loro applicazione e di ottimizzare le loro prestazioni sulla base di condizioni di utilizzo, requisiti industriali e applicazioni emergenti.
Gli SMD comprendono metamateriali e metasuperfici riconfigurabili per comunicazioni mobili, (bio)sensori multifunzionali integrabili in tessuti e/o biodegradabili per il monitoraggio di parametri ambientali e personali, dispositivi e circuiti optoelettronici basati su materiali 1D e 2D realizzati su substrati di silicio e/o stampabili su substrati flessibili.
La ricerca svolta all’interno della linea SMD abbraccia un’ampia gamma di argomenti, quali:
- Sistemi di rilevamento bioriassorbibili indossabili e impiantabili: utilizzo di materiali nanostrutturati biodegradabili e bioriassorbibili per lo sviluppo di sistemi di rilevamento bioriassorbibili indossabili e impiantabili per il tracciamento di analiti di interesse clinico (ad es. farmaci, biomarcatori, ioni) in vivo e/o nell'ambiente in tempo reale che si dissolvono completamente con sottoprodotti biologicamente benigni.
- Rilevamento passivo wireless a microonde e onde mm: ricerca di una nuova classe di etichette di rilevamento passive e flessibili, potenzialmente biodegradabili, per risonatori minuscoli e completamente passivi fissati, stampati o direttamente integrati in oggetti o corpo umano per il monitoraggio a distanza. Le etichette possono rilevare variazioni meccaniche (pressione e deformazione), nonché variazioni ambientali (temperatura e umidità) o variazioni chimiche (gas e PH) attraverso il monitoraggio della loro risposta in frequenza.
- Dispositivi termoelettrici in silicio su chip: scavenging e microharvesting: migliorare l'efficienza e l'accessibilità delle conversioni termoelettriche, con lo scopo di ridurre gli sprechi energetici e promuovere soluzioni energetiche più pulite, utilizzando silicio nanostrutturato invece di materiali tossici/rari.
- Stampa 3D e 4D di dispositivi intelligenti: fabbricazione tramite produzione additiva di strutture che svolgono le loro funzioni attraverso un cambiamento programmabile nelle loro proprietà chimiche o fisiche nel tempo quando esposte a uno stimolo esterno. Ad esempio, è previsto un sistema intelligente di somministrazione di farmaci per il trattamento delle ulcere intestinali, che si dispiegano dopo l'ingestione, aderiscono alle pareti dell'intestino e trattano le ulcere in loco.
- Modellazione e progettazione di convertitori di potenza basati su SiC: dimostrazione di una nuova classe di convertitori di potenza ad alta efficienza che sfruttano le capacità offerte da nuovi dispositivi/materiali a banda larga come Mosfet di potenza basati su SiC e/o GaN. L'approccio proposto è stato applicato a un caricatore di bordo bidirezionale e a una nuova generazione di inverter si concentra principalmente sulla stampa 4D di materiali intelligenti a base biologica.
- Shot noise nella progettazione di sensori in grafene: analisi delle proprietà di shot noise del grafene in presenza di potenziale disordine, spiegando attraverso simulazioni numeriche la discrepanza tra il risultato previsto teoricamente e i dati sperimentali esistenti.
- Progettazione di sensori RFID: sviluppo di un sistema di mappatura ambientale che impiega nodi passivi dell'Internet delle cose (IoT) implementati attraverso dispositivi di identificazione a radiofrequenza (RFID) ad altissima frequenza (UHF) dotati di capacità di rilevamento. Questa ricerca è stata estesa per includere sistemi RFID mobili assistiti da robot, che sono stati impiegati per la localizzazione congiunta e la raccolta di dati da questi dispositivi, migliorando così l'automazione del sistema.
