67063 - CHIMICA FISICA DEI MATERIALI E LABORATORIO DI CHIMICA FISICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede la capacità di razionalizzare in termini molecolari le proprietà di vari materiali (es. cristalli liquidi, micelle, vetri, colloidi, polimeri, materiali nanoporosi). Sono introdotte tecniche di caratterizzazione (Ottica, Calorimetria, Raggi X) e di simulazione al calcolatore. Obiettivo del modulo di Laboratorio e' di familiarizzare lo studente con la pratica della chimica fisica sperimentale e con alcune tecniche di misura e strumentazioni chimico-fisiche applicate allo studio dei materiali. Nel corso di Laboratorio di Chimica Fisica lo studente consegue i seguenti obiettivi: (1) applicare principi di termodinamica, cinetica e spettroscopia a livello sperimentale; (2) acquisire familiarità con alcune tecniche di misura e strumentazioni chimico-fisiche applicate allo studio dei materiali nei settori della tensiometria e della reologia; (3) sviluppare capacità sperimentali e di lavoro autonomo e di gruppo; (4) abituarsi a osservare gli esperimenti, annotare le osservazioni fatte e analizzare i dati criticamente; (5) imparare a presentare i risultati sperimentali e a scrivere relazioni in modo chiaro, conciso e consistente.

Programma/Contenuti

Il corso e' diviso in due parti tenute dal Prof. C. Zannoni (A - Teoria) e dal Prof. A. Arcioni (B - Laboratorio).

Parte (A)

Stati condensati  della materia  e descrizione qualitativa della loro struttura e principali proprietà in termini di ordine delle organizzazioni molecolari. Cristalli e loro principali proprietà ottiche in luce polarizzata e non (assorbimento, birifrangenza) e meccaniche (modulo di Young). Liquidi e Vetri. Diffusione della luce. Cristalli liquidi (CL) e loro applicazioni: CL nematici (caratteristiche e funzionamento di display a cristalli liquidi (LCD twisted nematic (TN), vertically aligned (VA), In Plane Switching (IPS)).  Confronto con altri display moderni (e-ink; smettici (classificazione in A,B,.. ; proprietà.); Chiralità e CL chirali. Riflessione selettiva della luce e applicazioni a termometri e laser. CL discotici (fasi colonnari e fili molecolari). Colloidi. Fasi liotropiche. Micelle, liposomi, bilayers. Applicazioni alla preparazione di materiali nanoporosi. Zeoliti artificiali (es: MCM41). Film di Langmuir-Blodgett.

Diffrazione di raggi-X e sue applicazioni. Legge di Bragg. Spettri di monocristalli e di polveri. Spettri a raggi-X di vetri, polimeri e materiali amorfi. SAXS.

Diagrammi di stato P-V, P-T, P-rho. Equazione di vanderWaals. Transizioni di fase e loro classificazione (Ehrenfest e Landau - deGennes). Fluidi supercritici e loro applicazioni. Metastabilità e Stato vetroso.  Sistemi porosi e nanoconfinati.

Diffrazione di raggi-X e sue applicazioni.  Legge di Bragg. Spettri di monocristalli e di polveri. Spettri a raggi-X di vetri, polimeri e materiali amorfi. SAXS. 

Forze fra molecole e fra particelle colloidali.  Potenziali a sfere dure e a buca rettangolare, Lennard-Jones, anisotropi. Cenni sulle interazioni elettrostatiche (carica, dipolo, quadrupolo) e sul loro effetto sulla organizzazione molecolare. Forze di induzione e dispersione.  Effetti del tipo di interazione e del suo raggio di azione sugli stati di aggregazione della materia e sui colloidi. Importanza relativa dei vari tipi di interazione in soluzione. Interazione fra particelle colloidali. Stabilità delle sospensioni  colloidali. Cenni di  Teoria DLVO.

Relazione tra proprietà microscopiche e macroscopiche: alcuni cenni di modellazione e simulazione al calcolatore con esempi di applicazione.

Parte (B)

Esercitazioni di laboratorio:

- Calorimetria in soluzione.

- Diagramma di fase per un sistema binario solido-liquido.

- Viscosimetria cinematica capillare e viscosimetria rotazionale.

- Realizzazione e funzionamento di un display a cristalli liquidi tipo twisted nematic.

- Tensione superficiale di liquidi puri e di soluzioni: metodi di misura statici (lamina e anello) e dinamici (pressione massima di bolla).

- Cinetica: retro-isomerizzazione di un composto fotocromico seguita per via spettrofotometrica.


Testi/Bibliografia

Parte (A)

Sara' distribuita prima di ogni gruppo di lezioni una copia completa delle slide mostrate. Il materiale distribuito è più che sufficiente per superare l'esame per gli studenti che seguono le lezioni.

Per le prima parte si può consultare anche

I. W. Hamley , Introduction to Soft Matter. Revised Edition (Wiley, Chichester, 2007) Capitoli 3,4,5
R. A. Jones, Soft Condensed Matter (Oxford University Press, Oxford, 2002)
P. J. Collings, Liquid Crystals: Nature's Delicate Phase of Matter (Adam Hilger, Bristol, 1990)
L. Hirst, Fundamentals of Soft Matter Science (CRC Press, 2012)


Testi per approfondimenti saranno indicati a chi fosse interessato.

Parte (B)

P.W. Atkins, Elementi di Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna, 2000.

Dispense e materiale didattico aggiuntivo.

Metodi didattici

Parte (A)

Lezioni frontali.


Parte (B)

Lezioni frontali in aula ed esercitazioni pratiche di laboratorio. I risultati ottenuti in ogni esperienza sono discussi in laboratorio e in aula, e vengono riportati, da ciascun studente, in relazioni scritte che costituiscono il quaderno di laboratorio.

La frequenza della parte di Laboratorio e' obbligatoria.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame di fine corso mira a valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici di teoria (parte A) e di laboratorio (parte B):

Parte (A)

Gli obiettivi essenziali sono:

- Conoscere le principali proprieta' e le organizzazioni molecolari dei materiali avanzati e descritti nel corso e le loro applicazioni
- conoscere la classificazione delle fasi della materia e delle transizioni di fase  Saper presentare esempi di transizioni di fase e di transizioni vetrose.
- Conoscere  le tecniche di indagine dei materiali a raggi X e la loro applicazione a materali cristallini e non.
- Conoscere i principali tipi di interazione fra molecole e fra particelle colloidali e discutere la stabilita' di sospensioni colloidali.
- Conoscere gli elementi base delle tecniche di simulazione al calcolatore

L' esame per la parte A consiste in una prova scritta che prevede la elaborazione di tre temi a scelta fra quattro proposti.

Parte (B)

La valutazione degli studenti sara' basata su due componenti:

1. Quaderno di laboratorio. Ogni relazione nel quaderno di laboratorio sara' valutata sulla base dei seguenti criteri: organizzazione, comprensione dell'esperimento, chiarezza, completezza, leggibilita' e coerenza interna.

2. Capacita' globali in laboratorio. In ogni esperienza, il livello di capacita' sara' valutato considerando attenzione nella preparazione e nell'esecuzione dell'esperimento, pulizia, presenza e puntualita'.

La valutazione delle relazioni di Laboratorio, una volta acquisita, rimane valida senza limiti di tempo.

 
•Il voto finale è quindi dato da una valutazione globale basata sulla prova scritta e sulle relazioni di Laboratorio.


Strumenti a supporto della didattica

Parte (A) Lavagna e videoproiettore.

Parte (B) Le attivita' didattiche svolte in aula si avvalgono di supporti quali proiezione di trasparenze e lavagna. Il materiale didattico presentato durante le lezioni e' reso accessibile agli studenti. Le attivita' di laboratorio sono svolte presso i laboratori didattici e prevedono l'assegnazione di una postazione di lavoro strumentale e la dotazione del materiale di laboratorio con cui vanno condotte le attività sperimentali.

 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Zannoni

Consulta il sito web di Alberto Arcioni