Dipartimento di Fisica - Tesi di Dottorato
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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Fisica dell'Università della Calabria.
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Item Thermo-Plasmonic triggered Bio-Photonic applications(Università della Calabria, 2021-04-02) Guglielmelli, Alexa; Cipparrone, Gabriella; Umeton, Cesare; De Sio, LucianoItem Self-assembled materials for anticounterfeiting devices(Università della Calabria, 2022-06-15) Fuoco, Erica; Cipparrone, Gabriella; De Santo, Maria PenelopeNegli ultimi anni il problema della contraffazione di prodotti ha assunto proporzioni allarmanti. Oltre ad essere un problema economico per aziende e governi, la contraffazione rappresenta un rischio notevole per la salute pubblica e per la sicurezza nazionale, questo soprattutto quando si ha a che fare con la contraffazione di medicinali o di componenti destinati ai comparti militari. Le copie contraffatte sono sempre più spesso, in apparenza, talmente fedeli all’originale che gli stessi produttori incontrano difficoltà nel distinguere il prodotto originale da una sua copia non autorizzata. A causa di questo, i paesi sviluppati necessitano di soluzioni tecniche sempre più efficaci che forniscano un valido supporto per l'autenticazione, l'identificazione e la tracciabilità delle merci. Le funzioni fisiche non clonabili (PUF) sono alla base dei sistemi di anticontraffazione più innovativi con elevati livelli di sicurezza. Una chiave PUF è una manifestazione fisica di una chiave crittografica, è impossibile da contraffare e si basa su una funzione fisica unica generata in maniera casuale. La materia soffice, grazie alle sue peculiari proprietà, si presta alla creazione di chiavi PUF. Ad esempio, materiali quali i cristalli liquidi e la cellulosa, in grado di auto-assemblarsi in complesse strutture sopramolecolari, presentano particolari proprietà ottiche e fotoniche ed una alta responsività agli stimoli esterni. Nuovi materiali compositi, basati sull’unione con nanoparticelle organiche ed inorganiche, possono essere preparati tramite procedure che conferiscono loro una casualità intrinseca. In questo modo è possibile creare strutture complesse e impossibili da riprodurre che si riflettono in proprietà ottiche uniche. Tali materiali sono degli ottimi candidati per la realizzazione di chiavi PUF. Il presente lavoro di dottorato si inquadra in questo filone di ricerca. In particolare sono presentati due esempi di chiavi PUF basate sull’utilizzo di emulsioni di cristallo liquido chirale. Confinando il materiale liquido cristallino, drogato con nanoparticelle metalliche, in microsfere e applicando un forte campo elettrico è possibile ottenere la creazione simultanea e casuale in ogni microsfera di diverse tessiture ottiche che mostrano le stesse caratteristiche delle impronte digitali umane. Tale sistema è proposto come generatore fisico di impronte digitali e viene mostrato un primo esempio di prototipo di etichetta anticontraffazione. Nel secondo caso l’emulsione di cristallo liquido, stavolta drogata con un colorante fluorescente e con dei nanocristalli di cellulosa, viene elettrofilata ottenendo un film sottile e flessibile che contiene al suo interno una disposizione casuale di microsfere fluorescenti. La mappa posizionale delle microsfere all’interno del filato costituisce una chiave PUF. Entrambi i risultati ottenuti sono originali e sono in fase avanzata di prototipazione. Inoltre, in vista della creazione di dispositivi bio ed eco compatibili che possano essere usati nella tracciabilità di cibi e farmaci, vengono presentate due soluzioni basate sull’utilizzo di materiali quali cellulosa e i suoi derivati (nanocristalli e idrossipropilcellulosa). Tali materiali, sintetizzati appositamente per questo lavoro di ricerca, sono utilizzati per la creazione di etichette autosupportate in grado di riflettere i colori in maniera selettiva, ma anche in grado di mostrare delle proprietà aggiuntive, quali la fluorescenza, se i nanocristalli di cellulosa sono funzionalizzati con un colorante. In questo caso, anche se i film utilizzati non presentano una casualità intrinseca, sono comunque strutture molto complesse di difficile riproduzione che possono essere arricchite da ulteriori proprietà ottiche. I film descritti si prestano a ulteriori miglioramenti, sia in termini della ottimizzazione delle procedure di sintesi dei materiali, sia in termini delle procedure di preparazione dei film.Item Materials and processes for the optical Additive Manufacturing of advanced organic/inorganic nanocomposites for the mask-less plating of insulator and semiconductor substrates, and microfluidic devices(Università della Calabria, 2020) Di Cianni, Wera; Cipparrone, Gabriella; Giocondo, Michele; De Luca, Antonio; De Leon, Alberto SanzThe research presented in this doctoral thesis is carried out in the nanotechnology and soft matter frameworks, under the 4.0 Industry paradigm, inspired by the need to find new strategies for the Additive Manufacturing (AM) and to obtain new processable nanocomposites with enhanced properties. The AM technologies allow to build 3D objects with complex geometries by adding layer-upon-layer of material without any mold and permits to fabricate structured objects and microfluidic systems with particular optical and mechanical properties which cannot be easily made with classical Subtractive Manufacturing (SM) techniques. This paves the way to large improvements in optoelectronics, biotechnology, diagnostic or medicine. Moreover, the combined employment of bottom-up and top-down fabrication approaches could lead to important advances in the field of nanotechnology, widening further the possible applications field, permitting high resolution repeatable nanofabrication of 3D complex objects with the possibility of immediate industrial applications. The first AM technique used in this work is Stereolithography (SL), a vat photopolymerization technique that uses UV light to produce objects with resolution in the range 10-100 μm. Here, the novelty consists in adding a metallic precursor (KAuCl4) to a typical photosensitive resin to produce nanocomposites with gold nanoparticles synthesized in situ via photo- and thermal reduction. Nanocomposites produced are rich in gold nanoparticles and have interesting optical and plasmonic properties. Moreover, a fine tuning of the concentration of the gold salt allows the resin polymerization without suffering any inhibition of the gold precursor. A similar approach, taking advantage of the combination with photoreduction of a gold precursor (HAuCl4), can be achieved using a different technique belonging to the vat photopolymerization category, namely the Two Photon Direct Laser Writing (TP-DLW). This technique exploits the optical, nonlinear multiphoton absorption process and allows for the fabrication of 3D objects featuring details below the diffraction limit, down to 100 nm or even less. Here, this multiphoton absorption process is exploited to trigger the photo-reduction of the gold precursor. The use of a transparent hydrogel matrix allows for a fine control of the nanoparticles’ growth on either transparent or opaque substrates, such as glass or silicon, without the need of using masks or molds. An in-depth study on the diffusive process underlying the nanoparticles growth and a control of the ionic concentration are done to prove the importance of having a polymeric network to hold the created nanoparticles at their place, which enhances the quality of the created nanostructures. The nanofabrication of fiber reinforced polymer nanocomposites by TP-DLW was also demonstrated. For these experiments, the classical glass or silicon substrates were replaced with a silicon substrate on which silica nanowires (SiO2 NWs) have been previously grown. This research allowed to achieve the best resolution offered by the TP-DLW technique, even with high loads of fillers of SiO2 NWs, up to 70 wt%. This was achieved by matching the refractive indices of the SiO2 NWs and of the photoresist used as polymeric matrix. These nanocomposite materials presented a noticeable improvement of nano-hardness and elastic modulus when compared to the pristine photoresist, indicating how the proposed technique is well-suited for nano-applications with higher structural requirements, as in advanced microfluidics. A final comparison of the AM technologies used in the thesis is done to elucidate the advantages and disadvantages of each one of these techniques to choose the most efficient, easiest and fastest, depending on the materials to be used or the required resolution.Item Nanostructured materials for energy: synthesis and chemical-physical characterization for gas adsorption applications(Università della Calabria, 2021-07-16) Conte, Giuseppe; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe; Policicchio, AlfonsoIl termine nanoscienze definisce lo studio di fenomeni e tecniche di manipolazione dei materiali su scala atomica e molecolare, dove le proprietà differiscono notevolmente da quelle osservate su scale maggiori. Attualmente la ricerca scientifica dedica grandi sforzi alla comprensione degli effetti nanometrici sulle proprietà fisico-chimiche della materia, in quanto possono essere utilizzate anche su scala diversa per sviluppare processi e prodotti caratterizzati da nuove funzioni e prestazioni, applicabili in vari settori tra cui salute, società dell'informazione, energia, trasporti, sicurezza e spazio. Relativamente alle nanoscienze, la progettazione, lo sviluppo e la creazione di materiali, sistemi e dispositivi attraverso il controllo della materia su scala nanometrica sono definite come nanotecnologie. Tra di esse, esistono tecniche e processi di preparazione in grado di ottenere materiali nanoporosi per applicazioni nel settore chimico, energetico o dei trasporti.Proprio in tale ambito si inquadra questo lavoro di tesi che è focalizzato sullo sviluppo e la caratterizzazione di nanostrutture porose per l’adsorbimento gas. In settori strategici come quello dell’energia e dei trasporti “verdi”, immagazzinare e distribuire alcune tipologie di gas in maniera ecosostenibile ed innovativa, riducendo al contempo i costi energetici, è diventata una sfida tecnologica significativa. Ad esempio, l'aumento dell'uso di combustibili puliti e alternativi a quelli tradizionali (es. idrogeno, gas naturale, bio-metano) nell'industria automobilistica dipende molto dallo sviluppo di soluzioni di stoccaggio avanzate. In particolare, l'idrogeno può anche svolgere un ruolo fondamentale nei processi power to gas (PtG), ovvero di conversione dell'energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili (FER), rispondendo al problema dell'intermittenza di alcune di esse (solare ed eolico). In questo caso, la sfida è lo stoccaggio di idrogeno. Le forme tradizionali di stoccaggio come la compressione e liquefazione sono opzioni costose, mentre lo stoccaggio con materiali allo stato solido potrebbe rappresentare una soluzione interessante. Allo stesso tempo, il continuo aumento dei gas serra in atmosfera, ha portato a porre la necessità di implementare soluzioni finalizzate alla cattura o stoccaggio/utilizzo dell’anidride carbonica (CCS/U) per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Anche se esistono già metodi di stoccaggio della CO2 (assorbimento in solventi, assorbimenti chimici, etc.), alcuni problemi come l'elevata volatilità o degradabilità hanno reso necessario trovare metodi alternativi più efficaci. Pertanto, la crescente necessità di immagazzinare alcune tipologie di gas con maggiore efficienza e sicurezza ha spinto la ricerca scientifica verso lo sviluppo di materiali adsorbenti nanostrutturati che siano in grado di migliorare questi requisiti, avere costi di produzione ridotti e capacità di rilasciare le specie assorbite senza dispendio di energia. La necessità di ottenere un addensamento del gas in condizioni termodinamiche distanti da quelle di liquefazione ha spinto la comunità scientifica ad approfondire lo studio del fenomeno della condensazione per fisisorbimento di strati molecolari sulle superfici dei materiali ad alta superficie specifica. Combinando la bassa entalpia di condensazione del gas, dovuto agli effetti dei deboli potenziali dispersivi e di interazioni che non prevedono la formazione di legame chimico, con lo sviluppo di materiali costituiti essenzialmente da superfici (materiali nano porosi) si possono sviluppare sistemi per ottenere la condensazione reversibile di grandi quantità di gas in condizioni di pressione e temperature vicini a quelle ambiente. A tal fine, una serie di materiali solidi porosi dalla struttura opportunamente ingegnerizzata (ad esempio zeoliti, strutture metallo-organiche, polimeri, carboni attivati, etc.), sono stati sviluppati e investigati durante il lavoro di ricerca focalizzando l’attenzione sulla reversibilità dei processi di adsorbimento. Tra gli adsorbenti studiati, i materiali a base di carbonio hanno mostrato una buona efficacia nella separazione e nello stoccaggio di varie specie gassose evidenziando anche vantaggi nei metodi di produzione semplici e a basso costo. Attraverso il loro utilizzo, inoltre, è possibile sviluppare una tecnologia di stoccaggio del gas reversibile e sostenibile basata sul metodo del fisisorbimento. Carboni attivati con struttura nanoporosa sono stati sviluppati e preparati in laboratorio studiando ed analizzando in dettaglio i processi di formazione della porosità e, successivamente, caratterizzando il loro comportamento all’adsorbimento dei vari gas. Allo stesso tempo, al fine di effettuare un confronto, sono state testate altre tipologie di materiali porosi sviluppate e preparate in collaborazione con gruppi di ricerca di altri dipartimenti, università o istituti. Tutti i materiali analizzati, sono stati caratterizzati con tecniche di porosimetria a 77 K e testati per l’adsorbimento delle principali specie gassose di interesse energetico, ossia CO2, CH4 e H2. Le condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) utilizzate nelle misurazioni sono state variate in base alla tipologia di gas e agli studi effettuati. Particolare attenzione è stata posta allo studio ed analisi della struttura porosa, che insieme al parametro area di superficie specifica (SSA), influenza fortemente le proprietà chimicofisiche dei materiali e i meccanismi di interazione all’interfaccia solido-gas. Pertanto, nella valutazione delle capacità di stoccaggio per i diversi gas, la dimensione e distribuzione dei pori si è dimostrata una variabile significativa da considerare nello studio di un materiale. Per comprendere a fondo questi sistemi e il loro comportamento è stato, quindi, necessario l’utilizzo di diverse tecniche e metodi di analisi tra cui: Microscopia elettronica a scansione (SEM) e Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), Diffrazione a raggi X (XRD), Analisi a raggi X a dispersione energetica (EDX), Spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR), tecniche volumetriche di tipo Sievert. Il lavoro di ricerca effettuato, quindi, ha portato allo sviluppo di varie metodologie per la preparazione e la sintesi di materiali con elevata superficie specifica. Quest’ultime consentono di controllare i processi di formazione della porosità permettendo di ottenere strutture nano porose omogenee adatte per l'adsorbimento di diverse specie gassose. Le nanostrutture sintetizzate hanno mostrato elevate capacità di stoccaggio, processi ciclici e alta reversibilità che, uniti al basso costo dei precursori utilizzati, rappresentano un’ottima base di partenza per l’implementazione di soluzione tecnologiche alternative a problematiche e/o esigenze del settore energetico e dei trasporti, in particolare, nella gestione ed utilizzo dell’idrogeno. I risultati raggiunti durante le attività sperimentali, svolte anche in collaborazione con altri dipartimenti, istituti di ricerca ed università, hanno portato alla redazione di una serie di lavori scientifici presentati a conferenze e pubblicati su riviste internazionali peer-reviewed.Item From semi-hard processes to the unintegrated gluon distribution: a phenomelogical path in the high-energy framework(Università della Calabria, 2021-04-28) Bolognino, Andrèe Dafne; Cipparrone, Gabriella; Papa, AlessandroThe class of semi-hard reactions represents a promising venue where to enhance our knowledge of strong interactions and deepen the aspects related to this theory in kinematical regimes so far unexplored. In particular, the high energies reached in electron-proton and in proton-proton collisions first at HERA and then at the LHC, allow us to study scattering amplitudes of hard and semi-hard processes in perturbative QCD. The structure of this thesis can be considered twofold. On one hand, the possibility to distinguish those channels where at least two final-state particles are emitted with large separation in rapidity and with an untagged system, permits to test the BFKL dynamics as resummation energy logarithms in the t-channel. Indeed, these inclusive reactions occur in the Regge limit, s jtj, and fixed-order calculations in perturbative QCD miss the effects of energy logarithms, which are so large to compensate the smallness of the strong coupling constant and must be resummed order by order in perturbation theory. The most powerful theoretical tool to provide the resummation of terms proportional to powers of these logarithms is the Balitsky- Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL) approach. In this framework, the hadroproduction of two forward jets with high transverse momenta separated by a large rapidity at the LHC, known as Mueller–Navelet jets process, has been one of the most investigated reactions. With the idea of deepening our understanding of the BFKL formalism, a new channel belonging to the semi-hard processes category is proposed: the inclusive production of a light charged hadron and a jet with high transverse momentum widely separated in rapidity, whose calculation is performed at NLO accuracy. The importance of this process relies in the possibility to probe a complementary region to one analyzed for the Mueller–Navelet jets. Hadrons, indeed, can be tagged at much smaller values of the transverse momentum than jets. It is proved how asymmetric cuts for the transverse momentum (naturally occurring because the final state is featured by objects of different nature) enhance the BFKL effects and how it is possible to discriminate between different parametrizations of fragmentation functions for the hadron in the final state. Additionally, another reaction is proposed: the hadroproduction of heavy-quark pairs well separated in rapidity. On the other hand, also the class of processes featured by the detection of a single forward object in lepton-proton collision can provide us useful ingredients to develop intriguing phenomenological studies. In particular, the exclusive leptoproduction of light vector mesons, r and f, is exhaustively investigated. In this context, the study of helicity-dependent observables allows us to discriminate among several unintegrated gluon distribution models, whose original definition naturally encodes the BFKL-equation evolution dynamics. This kind of parton density allows us to get access to the hadronic structure at small-x.Item Cryobiophysics: librational dynamics and solvent accessibility in the low-temperature phases of supramolecular aggregatesDocumenti elettronici(Università della Calabria, 2021-07-16) Aloi, Erika; Cipparrone, Gabriella; Bartucci, RosaStudi biofisici realizzati a temperature criogeniche permettono di investigare proprietà dinamiche, cinetiche e strutturali di biosistemi che, sebbene presenti, sarebbero di difficile risoluzione a temperature più alte. Queste proprietà hanno rilevanza in molti processi fisiologici che influenzano la funzionalità biologica di macromolecole. I metodi di spettroscopia di risonanza paramagnetica di spin (EPR) sia in onda continua (cw-EPR) che in regime pulsato (FT-EPR) sono particolarmente efficienti per la caratterizzazione di aggregati sopramolecolari nello stato congelato. In questo lavoro sono presentati e discussi esperimenti di cw- e FT-EPR a 9 GHz condotti su diversi biosistemi spin-labellati (membrane lipidiche a doppio strato, fasi lamellari interdigitate, micelle, membrane naturali e proteine) nelle fasi a bassa temperatura. È dato particolare risalto allo studio delle proprietà dell’acqua di idratazione entro una distanza di 0.5 nm dai radicali nitrossidi, alla caratterizzazione della dinamica a bassa temperatura dei biosistemi e come le condizioni di idratazione influenzino le proprietà dei biosistemi a bassa temperatura. Sono anche inclusi i risultati ottenuti dall’analisi di dati di scattering di neutroni per investigare la dinamica dell’acqua di idratazione nella proteina tau umana, una proteina intrinsecamente disordinata coinvolta nell’insorgere di patologie neurodegenerative come la malattia di Alzheimer. Esperimenti a tre impulsi di modulazione dell’eco di spin elettronico dall’interazione iperfine con deuterio (D2O-ESEEM) ed esperimenti di cw-EPR sono stati combinati a T = 77 K per caratterizzare il grado di permeazione dell’acqua e la polarità dell’ambiente, rispettivamente, nella shell di idratazione più prossima di aggregati lipidici spin-labellati selettivamente. È stato studiato il comportamento di fase liotropico di miscele a completa idratazione di lipidi formanti doppi strati (bilayers) di dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) con lipidi formanti micelle di dipalmi-toilfosfatidiletanolamina (DPPE) derivati sulla testa polare con poli-etilene glicole di peso molecolare 2000 Da (PEG:2000-DPPE) o di Liso-palmitoilfosfatidilcolina (Lyso-PPC), studiando l’intero range di composizione (concentrazioni tra 0 e 100 mol%). Sono stati delineati i profili transmembranali di accessibilità del solvente e di polarità in liposomi stabilizzati stericamente (SSL), formati da miscele di DPPC e 2 mol% di PEG:2000-DPPE, e in micelle di polimero-lipidi. Questi profili sono stati confrontati con quelli registrati per lipidi organizzati in bilayer e in lamelle con catene interdigitate e per micelle di lipidi a singola catena. Inoltre, misure di D2O-ESEEM e cw-EPR condotte su steroidi cardiotonici spin-labellati nella pompa sodio-potassio Na+,K+-ATPase hanno mostrato che il vestibolo che conduce ai siti di legame di steroidi e cationi è relativamente ampio e ricco di acqua. Sono stati, poi, combinati spettri cw-EPR e spettri rilevati tramite echo in esperimenti a due impulsi (spettri ED) per caratterizzare la dinamica di campioni spin-labellati nello stato congelato nel range di temperatura tra 77 K e 270 K. In tutti i sistemi modello di membrana analizzati in questo lavoro, costituiti da lipidi con catene sature o insature o con catene interdigitate, si manifestano moti librazionali di piccola ampiezza angolare (< 20!) che avvengono sulla scala dei nanosecondi. Tutti i campioni studiati hanno mostrato un comportamento simile nella dipendenza in temperatura dell’ampiezza angolare librazionale, manifestando un rapido incremento in corrispondenza della transizione dinamica che avviene ad una temperatura, Td, di circa 200 - 220 K. La transizione è associata all’attivazione di moti stocastici di maggiore ampiezza che fanno sì che i bilayers superino una barriera energetica con energia di attivazione Ea ⇡ 15 - 30 kJ/mol. La prima shell di acqua di idratazione che circonda le macromolecole è fondamentale per l’attivazione della loro funzionalità biologica. È stata, pertanto, caratterizzata l’influenza dell’idratazione sulla dinamica nello stato congelato di due proteine con diversa struttura secondaria, cioè ↵ per l’albumina del siero umano e " per la "-lattoglobulina, e del più comune sistema modello di membrana lipidica costituito da DPPC. Mentre la dinamica delle proteine è inibita nello stato liofilizzato per attivarsi progressivamente in presenza di molecole di acqua, nel caso della membrana lipidica le librazioni di ampiezza significativa si registrano nella regione idrofobica interna del bilayer anche in assenza di acqua. Infine, è presentato uno studio della dinamica traslazionale e rotazionale dell’acqua di idratazione della proteina tau perdeuterata attraverso l’analisi di dati di scattering di neutroni quasi-elastico, raccolti allo spettrometro TOFTOF alla sorgente di neutroni Heinz Maier-Leibnitz. Biophysical studies at cryogenic temperatures allow us to unravel dynamic, kinetic, and structural features of biosystems that are present also at higher temperatures but difficult to resolve explicitly. These properties impact on functionally important processes of physiological relevance in biological media. Methods of electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, both in continuous wave (cw-EPR) and in pulsed, Fourier transform version (FT-EPR), are appropriate to characterize supramolecular aggregates in the frozen state. In this work, results from 9 GHz cw- and FT-EPR investigations on differing spin-labelled biosystems (such as lipid bilayers, interdigitated lamellae, micelles, natural membranes and proteins) in the low-temperature phases are presented and discussed. Emphasis is given to investigate the properties of hydration water within 0.5 nm from the spin-label nitroxide moieties, to characterize the low-temperature dynamics of the different biosamples, and to highlight the influence of hydration conditions on the low-temperature properties of the biosystems. Analysis of neutron scattering data on the intrinsically disordered human tau-protein to investigate the hydration water motion is also included. Three-pulse electron spin echo envelope modulation from 2H-hyperfine interaction with deuterium (D2O-ESEEM) and cw-EPR are jointly employed at 77 K to detect the extent of solvent permeation and the environmental polarity, respectively, in the nearest hydration shell of site-specifically spin-labelled self-assembled lipid aggregates. The lyotropic phase behaviors of fully hydrated mixtures of the bilayer forming lipid dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) with either the micelle-forming lipid poly(ethylene glycol:2000)-phosphatidylethanolamine (PEG:2000-DPPE) or Lyso- palmitoylphosphatidylcholine (Lyso-PPC) are investigated over the entire composition range (0 – 100 mol%). The transmembrane water accessibility and polarity profiles of sterically stabilized liposomes (SSL), formed by admixture of DPPC and 2 mol% of PEG:2000-DPPE, and of polymer-lipid micelles have been delineated. They are compared to those of lipid bilayers and lamellae with interdigitated chains and those of small, single-chain micelles. Additionally, D2O-ESEEM and cw-EPR measurements of spin-labelled cardiotonic steroids in Na+,K+-ATPase revealed that the vestibule leading to steroid-binding and cation binding sites is relatively wide and water-filled. Cw-EPR and two-pulse echo detected ED-spectra are used to characterize the dynamics of spin-labeled samples in the frozen state over the temperature range 77 – 270 K. Rapid librations (in the nanosecond timescale) of small angular amplitude (< 20!) manifest themselves in all the model membranes of saturated or unsaturated lipids or with interdigitated chains studied in this work. A feature shared by the investigated samples is that the temperature dependences of the segmental librational amplitudes show a rapid increase at the dynamical transition occurring at Td ⇡ 200 - 220 K. The transition is associated with the onset of stochastic motions with the bilayers crossing low-energy barriers of activation energy Ea ⇡ 15 - 30 kJ/mol. The hydration water surrounding macromolecules is fundamental in the activation of their biological functionality. The effects of hydration on the dynamics of proteins of different structures, namely ↵ for Human Serum Albumin and " for "-Lactoglobulin, and model membranes of the most common lipid DPPC in cell membrane in the low-temperature phases have been also addressed. While the protein dynamics is suppressed in the lyophilized state and is progressively activated in the presence of water molecules, it is found that segmental librations of considerable amplitudes are detected in the inner membrane hydrocarbon region even in the dry state. Finally, results on the analysis of quasi-elastic neutron scattering data collected at the Time-Of-Flight spectrometer TOFTOF of the research neutron source Heinz Maier-Leibnitz on perdeuterated human tau protein are presented, in order to describe the translational and rotational dynamics of hydration water molecules.