Dal 1991 Di Natale svolge la propria attività di ricerca al dipartimento di Ingegneria elettronica della Università di Roma Tor Vergata. Attualmente dirige il gruppo Sensori e Microsistemi dello stesso dipartimento.

Gli interessi di ricerca riguardano i seguenti argomenti: Olfatto e gusto artificiali; Tecnologia dei sensori chimici; Sensori ottici; Nanostrutture molecolari; Applicazioni mediche ed alimentari dei sistemi di sensori; Signal processing e analisi dati multivariata. Nel seguito sono elencati, per ciascun argumento, gli articoli relativi ai principali risultati conseguiti