FLEXPOLE è un progetto di ricerca finanziato da PRIN-2022 dedicato alla scoperta di cristalli organici meccanicamente flessibili con campi elettrici permanenti incorporati. Combinando elasticità e organizzazione molecolare polare all’interno di un materiale a cristallo singolo, FLEXPOLE esplora una nuova classe di materiali funzionali con un forte potenziale per elettronica a basso consumo, fotonica e tecnologie legate all’energia.

Il progetto sviluppa strategie di cristallizzazione non convenzionali, tra cui high-throughput nano-cristallizzazione, stampa inkjet (inkjet printing), crescita assistita da campo ed epitassia su superfici polari, per ottenere nuovi polimorfi polari di molecole organiche. Vengono impiegate tecniche avanzate di caratterizzazione strutturale basate su luce di sincrotrone e misure in operando meccaniche, elettriche ed ottiche per mettere in luce le relazioni struttura–proprietà.

FLEXPOLE affronta sfide scientifiche chiave all’interfaccia tra cristallografia, ingegneria dei cristalli (crystal engineering) e scienza dei materiali, contribuendo a soluzioni tecnologiche sostenibili ed energeticamente efficienti e fornendo una formazione avanzata a ricercatori ad inizio carriera.

 Motivazione scientifica

I cristalli molecolari organici stanno attirando crescente attenzione grazie alla loro bassa densità, alla possibilità di modulazione chimica e al loro potenziale per tecnologie sostenibili e a basso consumo energetico. Tuttavia, la maggior parte dei cristalli organici è meccanicamente fragile e centrosimmetrica, il che ne limita l’impiego in dispositivi che richiedono conformità meccanica o proprietà non-centrosimmetriche.

FLEXPOLE esplora una direzione di ricerca emergente ed ancora in larga parte inesplorata: cristalli organici flessibili con un dipolo elettrico netto. Tali materiali sono promettenti candidati per applicazioni come:

• Dispositivi piezoelettrici e ferroelettrici
• Tecnologie fotovoltaiche e di fotorilevazione
• Sistemi ottici non lineari
• Elettronica a basso consumo, flessibile e distribuita

Grazie alla scoperta mirata di polimorfi polari e flessibili, FLEXPOLE vuole far avanzare l’ingegneria cristallina di base e rispondere a sfide sociali legate all’efficienza energetica, alla produzione di energia rinnovabile e alle tecnologie informatiche distribuite.

 Obiettivi

Gli obiettivi scientifici principali di FLEXPOLE sono:

1. Sviluppare tecniche di cristallizzazione non comuni e innovative per piccole molecole organiche.

2. Scoprire nuove fasi polimorfiche caratterizzate da flessibilità meccanica e dipolo elettrico netto.

3. Stabilire relazioni struttura–proprietà che colleghino impacchettamento molecolare, polarità ed elasticità.

4. Caratterizzare le proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche di cristalli polari flessibili, sia a riposo sia sotto sollecitazione di flessione.

5. Valutare il potenziale tecnologico dei materiali sviluppati per applicazioni in ambito elettronico, fotonico ed energetico.

 

Team e competenze

Il team di FLEXPOLE è composto da due Unità di Ricerca (R-UniTS e R-UniCH) e una Sottounità di Ricerca (RS-Elettra), riunendo un insieme complementare di abilità e competenze, tra cui:

•     Cristallografia e analisi strutturale basata su radiazione di sincrotrone
•     Crystal engineering e controllo del polimorfismo
•     Chimica supramolecolare
•     Scienza dei materiali funzionali

Questo approccio interdisciplinare garantisce l’integrazione efficace di sintesi, caratterizzazione e ricerca orientata alle applicazioni.

Pacchetti di lavoro (Work Packages)

L’attività di ricerca di FLEXPOLE è strutturata in tre pacchetti di lavoro, Work Package (WP). Ogni WP è suddiviso in compiti, Task (T), ciascuno dedicato a uno specifico aspetto del lavoro pianificato. Questa struttura modulare assicura un approccio sistematico alla crescita cristallina, alla caratterizzazione e alla valutazione funzionale.

Strategie di cristallizzazione

Per ottenere nuovi polimorfi polari, oltre agli approcci convenzionali di crescita cristallina, FLEXPOLE impiega una serie di tecniche non convenzionali, tra cui:

•     Nanocristallizzazione robotica high-throughput, per esplorare rapidamente le condizioni di cristallizzazione.
•     Stampa inkjet di inchiostri di precursori, per una crescita cristallina controllata spazialmente.
•     Cristallizzazione in campi elettrici e/o magnetici, per orientare l’organizzazione molecolare e la polarità.
•     Crescita epitassiale su superfici polari, per promuovere impacchettamenti non centrosimmetrici.

Queste tecniche vengono applicate singolarmente o in combinazione per massimizzare la probabilità di stabilizzare fasi cristalline polari e flessibili.

Sistemi molecolari modello

Il progetto si concentra su tre sistemi molecolari rappresentativi, scelti per la complementarità delle interazioni intermolecolari e la versatilità strutturale:    

• 4HCB: una molecola aromatica capace di formare reti di legami a idrogeno complementari.   
• Glicina: una molecola zwitterionica che può assemblarsi tramite interazioni a ponte salino, nota per il suo ricco polimorfismo.
• Molecole ospiti macrocicliche: sistemi che formano catene polimeriche supramolecolari.

Questi sistemi rappresentano un contesto sperimentale solido per studiare come diversi schemi di interazione condizionino polarità, flessibilità e polimorfismo.

Caratterizzazione strutturale e funzionale

La caratterizzazione strutturale a livello atomico dei cristalli ottenuti viene eseguita con tecniche all’avanguardia basate su radiazione di sincrotrone, consentendo una determinazione precisa della simmetria cristallina, dell’impacchettamento molecolare e dell’allineamento dei dipoli.

In parallelo, FLEXPOLE indaga le proprietà funzionali dei materiali sviluppati, tra cui:

•     Proprietà meccaniche, con particolare attenzione alla flessione elastica.

•     Proprietà elettriche, come polarizzazione, risposta piezoelettrica e comportamento ferroelettrico.
•     Proprietà ottiche, tra cui birifrangenza e proprietà chirottiche.

Vengono progettati e realizzati setup sperimentali personalizzati per effettuare misure in operando, consentendo la caratterizzazione strutturale e funzionale mentre i cristalli sono sottoposti a campo elettrico, deformazione meccanica, o a entrambi.

Formazione

FLEXPOLE ha un forte impegno nella formazione di ricercatori all’inizio della carriera. Il progetto include attività dedicate per dottorandi e assegnisti/post-doc, offrendo formazione avanzata in:

•     Tecniche sperimentali di cristallizzazione
•     Metodi strutturali basati sulla luce di sincrotrone

•     Caratterizzazione meccanica ed elettrica dei materiali
•     Ricerca interdisciplinare all’interfaccia tra chimica, fisica e scienza dei materiali

Sostenibilità ed etica

Il progetto FLEXPOLE è pienamente conforme al principio DNSH (Do No Significant Harm – “Non arrecare un danno significativo”) e adotta un approccio di Sostenibilità Tecnologica. Concentrandosi su materiali organici, strategie di fabbricazione a basso consumo energetico e applicazioni in tecnologie ad alta efficienza, FLEXPOLE è allineato alle priorità europee e nazionali per la ricerca e l’innovazione sostenibili.

Riconoscimento del finanziamento

Sostegno finanziario nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), Missione 4, Componente 2, Investimento 1.1, Bando n. 104 pubblicato il 2.2.2022 dal Ministero dell’Università e della Ricerca (MUR), finanziato dall’Unione Europea – NextGenerationEU – Titolo del progetto: “Flexible molecular crystals with embedded permanent electrical fields (FLEXPOLE)” – CUP J53D23008560006 – Grant Assignment Decree No. 1064 adottato il 18/07/2023 dal Ministero dell’Università e della Ricerca (MUR).

PUBBLICAZIONI 

Pubblicazioni Direttamente Finanziate da FLEXPOLE

A. Fraleoni‐Morgera, S. Joshi, N. Hickey, S. Geremia, Flexible Crystals, Polymorph Selection and Interface Engineering for Organic Electronics: How New Discoveries and Established Knowledge Can Provide New Stimuli for Research Into Organic Semiconducting Single Crystals, Adv. Electron. Mater. 2026, 12, e00342. https://doi.org/10.1002/aelm.202500342

S. Joshi, N. Hickey, P. M. Marcos, S. Geremia, Pseudo-Polymorphism in 2-Pyridylmethoxy Cone Derivatives of p-tert-butylcalix[4]arene and p-tert-butylhomooxacalix[n]arenes, Crystals 2024, 14, 343. https://doi.org/10.3390/cryst14040343

Pubblicazioni Parzialmente Riconducibili al Progetto che Coinvolgono altre Collaborazioni Nazionali ed Internazionali

S. Ghosh, R. P. Nandi, S. R, Y. A. Lakshmanna, S. Geremia, N. Hickey, A. Sirohiwal, P. Thilagar, Polymer matrix drives thermal stimulation-caused dynamic phosphorescence in dispersed chromophores, Nat. Commun. 2026. https://www.nature.com/articles/s41467-026-69664-x

J. Eyyathiyil, M. Kitahara, D. Suzuki, S. Geremia, N. Hickey, Y. Imai, P. Thilagar, Elucidating the Impact of Nodal and Non-Nodal Chiral Tagging on the Chiroptical Properties of Naphthalimides, J. Mater. Chem. C 2026. https://doi.org/10.1039/D5TC04125B

D. Crisafulli, M. Mazzaferro, F. Mancuso, R. Cirilli, M. Pierini, R. Zagami, L. Monsù Scolaro, N. Hickey, S. Geremia, A. Notti, Enantioselective sensing driven by the interplay of point, helical and planar chirality in pillar [5] arene Pseudo [1] catenanes, Commun. Chem. 2025, 9. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01816-4

P. Della Sala, C. Talotta, M. De Rosa, S. Superchi, E. Santoro, S. Geremia, N. Hickey, M. Fusè, S. Abbate, G. Mazzeo, Introducing Prism[4]arene: a macrocycle with enantiomerically resolvable inherent chirality and intriguing chiroptical properties, J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 20843. https://doi.org/10.1021/jacs.5c04512

J. Eyyathiyil, S. Ghosh, A. Cheran, S. Geremia, J. Kumar, N. Hickey, P. Thilagar, Axial chirality-induced rigidification in aminoboranes enhances persistent room-temperature phosphorescence and circularly polarized luminescence, Commun. Chem. 2025, 8, 126. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01529-8

A. T. Muhammed Munthasir, P. Rani, P. Dhanalakshmi, S. Geremia, N. Hickey, P. Thilagar, Quadrupling the PLQY of Tetraphenylethylene by Covalently Linking it with Isosteric Tetraarylaminoborane: A Potential Candidate for Multicolor Live Cell Imaging, Inorg. Chem. 2025, 64, 5878. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c04036

A. T. M. Munthasir, P. Rani, P. Dhanalakshmi, S. Geremia, N. Hickey, P. Thilagar, Naphthalimide and Carbazole Based Mechanochromic Molecular Dyads and Triads for Selective Lysosome Imaging, Chem. Asian J. 2025, 20, e202401386. https://doi.org/10.1002/asia.202401386

B. V Gil, A. S. Miranda, P. M. Marcos, J. R. Ascenso, T. Palmeira, M. N. Berberan-Santos, R. Schurhammer, N. Hickey, S. Joshi, S. Geremia, Fluorescent Dihomooxacalix[4]arenes for the Detection of Nitroaromatic Compounds in Solution and in the Vapour Phase: Structural and Supramolecular Insights, Molecules 2025, 30, 3901. https://doi.org/10.3390/molecules30193901

P. Della Sala, V. Iuliano, M. De Rosa, C. Talotta, R. Del Regno, P. Neri, S. Geremia, N. Hickey, C. Gaeta, Deep-Cavity Calix[4]naphth[4]arene Macrocycles: Synthesis, Conformational Features, and Solid-State Structures, Molecules 2024, 29, 4142. https://doi.org/10.3390/molecules29174142

R. P. Nandi, B. Chandra, S. Ghosh, S. P. Sarma, S. Geremia, N. Hickey, P. Thilagar, Pyrrole βC−B−N Fused Porphyrins: Molecular Structures and Opto‐Electrochemical Studies, Chem. Eur. J. 2024, 30, e202304219. https://doi.org/10.1002/chem.202304219

S. Adorinni, S. Gentile, O. Bellotto, S. Kralj, E. Parisi, M. C. Cringoli, C. Deganutti, G. Malloci, F. Piccirilli, P. Pengo, Peptide stereochemistry effects from pKa-shift to gold nanoparticle templating in a supramolecular hydrogel, ACS Nano 2024, 18, 3011. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08004

 V. Ferrara, V. Iuliano, P. Neri, S. Geremia, N. Hickey, L. Di Stasio, G. Vigliotta, G. Paolella, I. Caputo, P. Della Sala, Novel octacationic-resorcin [4] arenes featuring quaternary ammonium groups as multivalent biocides, Org. Chem. Front. 2024, 11, 4101. https://doi.org/10.1039/D4QO00728J

P. Della Sala, U. Calice, V. Iuliano, S. Geremia, N. Hickey, S. Belviso, F. F. Summa, G. Monaco, C. Gaeta, S. Superchi, Chirality sensing of cryptochiral guests with Prism[n]arenes, Chem. Eur. J. 2024, 30, e202401625. https://doi.org/10.1002/chem.202401625

R. Del Regno, P. Della Sala, I. Vollono, C. Talotta, P. Neri, N. Hickey, S. Joshi, S. Geremia, C. Gaeta, Synthesis, conformational properties, and molecular recognition abilities of novel prism[5]arenes with branched and bulky alkyl groups, Org. Chem. Front. 2024, 11, 2710. https://doi.org/10.1039/D3QO02139D

M. Milone, I. Pisagatti, G. Gattuso, A. Notti, M. F. Parisi, G. Brancatelli, N. Hickey, S. Geremia, Influence of H-bond competitors on the solvent-dependent structures of an octaurea-calix[4]tube, RSC Adv. 2024, 14, 4448. https://doi.org/10.1039/D3RA08764F