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Formazione accademica e titoli di studio

• 27 Marzo 2020 – oggi: Professore di II Fascia presso il Dipartimento di Scienze Chimiche, Università degli Studi di Padova, settore scientifico disciplinare CHIM/02 (chimica fisica), settore concorsuale 03/A2 – Modelli e metodologie per le scienze chimiche.
• 27 Marzo 2017 – 26 Marzo 2020: Ricercatore a Tempo Determinato, tipo b) presso il Dipartimento di Scienze Chimiche, Università degli Studi di Padova, settore scientifico disciplinare CHIM/02 (chimica fisica), settore concorsuale 03/A2 – Modelli e metodologie per le scienze chimiche.
• 27 Febbraio 2017 – 26 Marzo 2017: professore a contratto per i corsi di Chimica Fisica 2 (C.d.L. in Chimica, 3 CFU) e Dinamica degli Inquinanti nell’Ambiente (C.d.L. in STAm., 2 CFU) presso il Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università degli Studi di Padova.
• 14 Novembre 2016 – 14 Gennaio 2017: visiting volunteer presso il laboratorio del prof. Matthias Buck del dipartimento di fisiologia e biofisica, Case Western Reserve University, Cleveland (OH), USA.
• 1 Agosto 2013 – 31 Luglio 2016: ricercatore a tempo determinato di tipo a, nel Gruppo di Chimica Teorica, con finanziamento ministeriale FIRB 2012 (990000 Euro). Titolo del progetto: “Novel multiscale theoretical / computational strategies for the design of photo and thermo responsive hybrid organic – inorganic composites for nanoelectronic circuits”.
• 1 Marzo 2012 – 31 Luglio 2013: assegno senior, con finanziamento Giovani Studiosi (25000 Euro). Titolo del progetto di ricerca: “Novel theoretical and computational approaches to the interpretation of spectroscopic observables in flexible bio-molecules”. Il lavoro è stato svolto presso il gruppo di Chimica Teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova, sotto la supervisione del prof. Antonino Polimeno.
• 1 Aprile 2010 – 28 Febbraio 2012: assegno junior sul progetto di ricerca “Metodi per l’interpretazione di dinamiche rilevanti in biomolecole” presso il gruppo di Chimica Teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova, sotto la supervisione del prof. Antonino Polimeno.
• 1 Agosto 2009 – 31 Marzo 2010: borsa di studio dal titolo: “Sviluppo di modelli teorici per l’interpretazione della dinamica di sonde molecolari e microscopiche in fasi fluide tramite spettroscopia magnetica” presso il gruppo di Chimica Teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova, sotto la supervisione del prof. Antonino Polimeno. Nell’ambito della borsa, l’attività di ricerca è stata condotta a Cleveland, Ohio, presso la Case Western Reserve University dal 14 Settembre 2009 al 31 Marzo 2010, nel gruppo di ricerca del prof. Matthias Buck.
• 1 Gennaio 2009 – 31 Maggio 2009: contratto a progetto con il Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali (INSTM). Il progetto di ricerca, dal titolo “Sviluppo e implementazione di metodologie per il trattamento di dinamiche rilevanti in sistemi complessi”, è stato svolto presso il gruppo di Chimica Teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova;
• 1 Gennaio 2006 – 31 Dicembre 2008: dottorato di ricerca presso il gruppo di chimica teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova. La discussione della tesi dal titolo “Advanced computational tools for the interpretation of magnetic resonance spectroscopies”, con conseguimento del titolo di Dottore di Ricerca in Scienze Molecolari, indirizzo Scienze Chimiche, avviene il 25 Marzo 2009.
• 13 Ottobre 2005: laurea in Chimica, con indirizzo chimico-fisico, presso l’Università degli Studi di Padova con voto 110/110 con lode. Il lavoro di tesi, della durata di 12 mesi, è stato condotto nel gruppo di Chimica Teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche. Il titolo del manoscritto presentato è “Sviluppo ed implementazione di metodologie teoriche per l’interpretazione di spettri ESR: impiego dell’equazione stocastica di Liouville per sistemi molecolari descritti da gradi di libertà multipli”.

Attività e interessi di ricerca

Il periodo di formazione scientifica è iniziato con l’internato di tesi nell’anno accademico 2004/2005 nel gruppo di chimica teorica del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università degli Studi di Padova, sotto la supervisione del prof. Antonino Polimeno. L’attività svolta in tesi ha riguardato lo sviluppo e l’implementazione di metodi teorici e computazionali per l’interpretazione di spettroscopie di risonanza elettronica (EPR) in fluidi semplici e complessi. Il periodo di tesi si è concluso in maniera molto proficua con la pubblicazione di un articolo sull’interpretazione di spettri EPR in onda continua (cw-EPR) di bis-addotti del fullerene con nitrossidi. In tale studio, una modellistica piuttosto accurata, seppur semplice, ha permesso di ricavare l’accoppiamento elettronico scalare (non solo in valore assoluto, ma anche il segno) dallo spettro sperimentale [1].

Durante il periodo di dottorato di ricerca, e nella successiva attività post-dottorale, il mio interesse è rimasto focalizzato sullo sviluppo di metodi per l’interpretazione di dinamiche molecolari in fluidi da misure spettroscopiche, principalmente di tipo magnetico (elettroniche e nucleari). Tali spettroscopie sono sensibili ai moti più lenti delle molecole. Essi, soprattutto se si tratta di processi attivati in sistemi con un numero elevato di gradi di libertà (ad es., le proteine), non sono ad oggi studiabili con tecniche standard di dinamica molecolare. Questo stimola la ricerca verso lo sviluppo di nuovi approcci modellistici e di nuove tecniche numeriche. Strumenti basati sulla meccanica statistica, in cui solo la parte rilevante del sistema viene trattata in dettaglio, relegando i rimanenti gradi di libertà “non importanti” a generatori di fluttuazione-dissipazione, si sono dimostrati particolarmente efficaci nella descrizione del comportamento a tempi lunghi di un sistema molecolare.

Circa due terzi del lavoro della mia tesi di dottorato si è concentrato sullo sviluppo di tecniche e strumenti computazionali per l’interpretazione ab initio di spettri cw-EPR di sonde paramagnetiche (rigide o con un ridotto grado di flessibilità) in fluidi, basata su modelli stocastici “molecolari”. L’obiettivo era l’abbandono dei modelli fenomenologici, che spesso richiedono fitting multicomponente per ricavare tutti i parametri del modello dal confronto con il dato sperimentale, per introdurre modelli in cui vi fosse un chiaro legame tra le proprietà molecolari del sistema descritto a livello atomistico ed i parametri del modello stocastico. Questa visione, unita alla filosofia multi-scala in cui ogni proprietà molecolare viene trattata a differenti scale spazio/temporali sulla base di quali dettagli del sistema hanno maggior influenza sulla proprietà stessa, ha portato allo sviluppo di un software, chiamato E-SpiReS (Electron Spin Resonance Simulation), per l’interpretazione di spettri cw-EPR per molecole rigide o con un grado di liberà torsionale in ambiente liquido (sia isotropo che anisotropo, ad es. cristalli liquidi) o anche in fase solida. E-SpiReS è in grado di interfacciarsi con una serie di altri software, sia sviluppati da me (come DiTe – Diffusion Tensor – per il calcolo del tensore di diffusione basato su approcci idrodinamici), sia commerciali, ad esempio il Gaussian per i calcoli quantomeccanici dei parametri magnetici. L’approccio computazionale integrato implementato in E-SpiReS è stato applicato allo studio ed interpretazione di spettri cw-EPR di diversi sistemi, tra i quali nitronil-nitrossidi in fase isotropa e nematica, molecole flessibili in cristalli liquidi nematici, studio di polimerizzazioni radicaliche, piccoli peptidi mono- e bis-labellati con gruppi paramagnetici. Riguardo a questi ultimi si vuole sottolineare come una modellistica piuttosto semplice, accoppiata ad un protocollo computazionale multi-scala, ha permesso di distinguere la struttura secondaria di piccoli peptidi in solventi a diversa polarità.

Nell’ultima parte del dottorato ho cominciato ad occuparmi anche di risonanza magnetica nucleare (NMR), con lo scopo di costruite un approccio computazionale integrato, simile a quanto fatto per l’EPR, anche per questa spettroscopia, soprattutto avendo come obiettivo l’applicazione allo studio di macromolecole biologiche. Il lavoro in questo ambito mi ha portato a conoscere il prof. Mathias Buck, del Dipartimento di Fisiologia e Biofisica della Case Western Reserve University di Cleveland, OH, USA, nel cui laboratorio ho svolto un periodo di ricerca post-dottorale di sei mesi.  Durante la mia visita ho potuto completare il software C⁺⁺OPPS (COupler Probe Protein Smoluchowski) che implementa il modello a due corpi SRLS (Slowly Relaxing Local Structure) di Polimeno e Freed, apportando una riduzione del numero di parametri di fitting sfruttando simulazioni di dinamica molecolare relativamente corte per valutare parte dei parametri del modello. La visita nel laboratorio del prof. Buck è stata molto utile anche per apprendere l’arte delle simulazioni di dinamica molecolare di proteine, data l’esperienza nel campo del prof. Buck dovuta alla sua collaborazione con il prof. Karplus.

Buona parte del periodo post-dottorale è stata dedicata allo sviluppo di modelli stocastici molecolari per la dinamica di sistemi con molti gradi di libertà, avendo come obiettivo l’interpretazione di misure di rilassamento NMR di macromolecole biologiche. In particolare, il Diffusive Chain Model (DCM), in cui una molecola è descritta come un insieme di frammenti rigidi collegati da gradi di libertà torsionali, è stato applicato allo studio della dinamica di oligosaccaridi. Il lavoro su questi sistemi mi ha avvicinato alla dinamica Browniana come metodo di soluzione di equazioni diffusive.

Durante l’attività post-dottorale ho cominciato ad occuparmi anche di sistemi di interesse per la scienza dei materiali. In particolare di nanosistemi autoassemblanti composti da nanoparticelle metalliche unite da materiale organico/biomolecole. Una proficua discussione con due colleghi del Dipartimento di Scienze Chimiche (proff. Alessandro Moretto e Federico Rastrelli) e dei proff. Alfonso Pedone, dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, e Francesco Aquilante, dell’Università di Bologna, ha portato nel 2012 alla stesura, e poi finanziamento, di un progetto FIRB di cui ero il coordinatore nazionale. Durante il progetto, triennale, ho ampliato le mie competenze e conoscenze nell’ambito della dinamica molecolare coarse-grained e della simulazione di sistemi autoassemblanti. Inoltre, la collaborazione con il dr. Diego Frezzato ha portato allo sviluppo di una nuova strategia computazionale, e relativa implementazione nel software JEFREE (Jarzynski Equality Free Energy Evaluation), di calcolo di energie libere basata sulla teoria di Jarzynski delle trasformazioni di non-equilibrio. La strategia sfrutta un morphing dell’energetica del sistema grazie al quale è possibile migliorare il campionamento delle configurazioni molecolari dalla distribuzione di Boltzmann ad una data temperatura e quindi accedere a profili di energia libera anche per gradi di libertà con barriere piuttosto alte (decine di k_BT). Tale metodologia è stata applicata allo studio della dinamica di coating alchilici di superfici e nanoparticelle d’oro.

Durante i periodi da ricercatore a tempo determinato ho iniziato a interessarmi al trattamento ibrido quantistico-classico di sistemi molecolari complessi. L’obiettivo è lo sviluppo di una serie di approcci multiscala per poter descrivere il comportamento di sistemi reattivi e non in maniera efficiente sfruttando le potenzialità delle tecniche proiettive per eliminare gradi di libertà irrilevanti. La ricerca ha portato alla definizione e implementazione di una equazione quanto-stocastica di Liouville con la quale si può descrivere in maniera accoppiata l’evoluzione di un sistema su gradi di libertà prettamente quantistici e su gradi di libertà di tipo classico. Parallelamente, sto svolgendo ricerca nello sviluppo di metodi quanto-classici per la stima di costanti cinetiche di reazioni elementari in fasi condensate semplici e complesse. Tale interesse ha portato a ricevere un finanziamento PRIN nel 2022, in qualità di PI, sulla catalisi enzimatica (progetto ENZYLEARNING) in cui sono coinvolte le Università di Padova (capofila) e di Modena e Reggio Emilia.

Attualmente, i miei interessi di ricerca seguono il filone finora esplorato, e che penso essere ancora ricco, della modellistica avanzata della dinamica di sistemi complessi, con un occhio di riguardo all’applicazione a sistemi nanoscopici (proteine, ma anche sistemi non biologici) e possono essere riassunti nei seguenti temi:

• Spettroscopia computazionale: sviluppo di modelli stocastici avanzati, metodi computazionali e strumenti software per l’interpretazione della dinamica rilevante di macromolecole in fluidi semplici e complessi (come cristalli liquidi) da misure spettroscopiche magnetiche e ottiche.
• Simulazioni di dinamica molecolare: impiego di tecniche standard di simulazione di dinamica molecolare come punto di partenza per accedere ad informazioni a differenti scale dei tempi del sistema molecolare in esame attraverso l’integrazione di descrizioni atomistiche, coarse-grained deterministiche e stocastiche (ad es. Browniane). Sviluppo di tecniche ibride di simulazione di dinamica molecolare a diverse scale temporali, con recente interesse verso metodi QM/MM per l’interpretazione di fenomeni fotoacustici in nanoparticelle metalliche.
• Calcolo di energie libere di Helmholtz: sviluppo di metodi computazionali e strumenti software per il calcolo di differenze di energia libera di Helmholtz lungo coordinate locali o collettive in sistemi molecolari complessi, anche sfruttando le potenzialità del machine learning.
• Evoluzione quanto-stocasitca di sistemi molecolari: sviluppo di approcci teorico/computazionali per l’evoluzione accoppiata della dinamica elettronica e nucleare sotto la riduzione di complessità che permettono i metodi stocastici. L’obiettivo è la simulazione di sistemi in cui avvengano processi reattivi e non (trasferimento di carica, effetti foto-acustici).