84540 - THERMODYNAMICS AND KINETICS OF SOLIDS, SURFACES AND NANOSTRUCTURES

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, the students learn the rules that govern thermodynamic equilibrium in condensed phases, from 3-dimensional bulk solids down to nanostructures and 2-dimensional systems. Moreover, they are able to analyze non-equilibrium processes both in the frame of a general thermodynamic description and within the microscopic theory of mass transport via atomic diffusion. The students understand important phase transformations such as nucleation and growth, spinodal decomposition, order-disorder transitions, as well as microstructural evolution phenomena like coarsening, surface evolution, and mechanical plasticity. Particular emphasis is given to microstructural features such as structural defects, surfaces, dimensionality, and small-size effects, which lie at the very heart of contemporary materials physics and nanoscience.

Programma/Contenuti

Termodinamica di equilibrio

Diagramma di fase di una sostanza pura: equazione di Clapeyron, tensione del vapore. Diagramma di fase ed energia libera di un sistema binario: ordinamento a lungo raggio e gap di miscibilità in funzione della temperatura. Soluzioni solide: ideali, diluite e regolari. Ordine a corto raggio. Equazione di Gibbs-Duhem. Equilibrio tra fasi con composizione variabile. Il potenziale chimico. Linee del solido e del liquido per una soluzione ideale. Linea del soluto per un sistema con gap di miscibilità. Diagrammi di fase binari: comprensione del significato e dei principi di costruzione con il metodo della tangente comune e la regola della leva. La regola delle fasi di Gibbs: punti invarianti di un diagramma di fase. Esempi di diagrammi di fase: Al-Cu, Al-Si, Fe-C.

Meccanismi cinetici

Termodinamica irreversibile e cinetica: accoppiamento di forze e flussi. Produzione di entropia: postulato base della termodinamica irreversibile. Principio di simmetria di Onsager: simmetria delle proprietà di trasporto. Effetti termoelettrici. Forze motrici e flussi di diffusione: il potenziale di diffusione. Legame fra punto di vista macroscopico e microscopico: salti atomici termicamente attivati, random walk e coefficiente di diffusione. L'equazione della diffusione. Meccanismi atomici per la diffusione: auto-diffusione, diffusione sostituzionale e interstiziale in gradiente di concentrazione, effetto Kirkendall, regime intrinseco ed estrinseco in cristalli ionici; trasporto ionico allo stato solido.

Introduzione alle proprietà meccaniche dei solidi. Dislocazioni in solidi cristallini: struttura. Forze trainanti per il moto di dislocazioni: Peach Koehler, osmotica, di curvatura. Mobilità di dislocazioni: glide e climb, sorgenti di Frank-Read. Ostacoli al movimento di dislocazioni. Interazione dislocazioni-soluto: potenziale elastochimico e atmosfera di Cottrell. Struttura delle interfacce in solidi cristallini. Il concetto di microstruttura. Mobilità delle interfacce: forze trainanti. Curvatura e potenziale di diffusione. Forze capillari. Evoluzione di un'interfaccia con gradiente di curvatura: diffusione in superficie vs. trasporto di vapore. Cenni all'analisi di superfici anisotrope: faceting, gamma-plot e Wulff plot.

Coarsening di microstrutture (Ostwald ripening). Teoria di campo medio in approssimazione diffusion-limited e source-limited. Evoluzione morfologica in presenza di stress: creep diffusionale nei regimi di Coble e di Nabarro-Herring. Mappe di Ashby per i meccanismi di deformazione.

Trasformazioni di fase

Introduzione alle traformazioni di fase: parametro d'ordine conservato e non conservato. Trasformazioni continue: decomposizione spinodale e ordine-disordine; equazioni di Cahn-Hilliard e di Allen-Cahn. Trasformazioni discontinue: teoria classica della nucleazione. Nucleazione omogenea vs. eterogenea. Nucleazione e crescita: equazione di Johnson-Mehl-Avrami e diagrammi TTT. Precipitazione nei sistemi Cu-Co e Al-Cu.

Idrogeno nei metalli: chimica-fisica del processo reversibile di trasformazione di fase metallo-idruro. Equazioni di van't Hoff e di Sievert. Applicazioni degli idruri metallici.

Materiali bidimensionali

Introduzione al grafene, scoperta e proprietà fondamentali. Struttura cristallina. Determinazione della struttura a bande in approssimazione Tight-Binding. Metodi di produzione: esfoliazione in fase liquida, crescita epitassiale, deposizione chimica in fase vapore. Produzione di materiali grafene-like e di materiali bidimensionali oltre il grafene: nitruro di boro, dicalcogenuri di metalli di transizione, materiali semiconduttori. Caratterizzazione di materiali bidimensionali: microscopia elettronica a scansione, microscopia elettronica in trasmissione, spettroscopia Raman.

Testi/Bibliografia

Saranno resi disponibili i lucidi delle lezioni. Saranno inoltre distribuiti articoli scientifici su argomenti selezionati .

Per approfondimenti si consiglia la consultazione dei libri di testo:

· R.W. Balluffi, S.M. Allen, W.C. Carter, Kinetics of Materials, Wiley

· R. DeHoff, Thermodynamics in Materials Science, Taylor and Francis

Metodi didattici

Lezioni frontali sia alla lavagna sia con videoproiettore.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Colloquio orale. Lo studente ha la facoltà di iniziare l'esame con l'esposizione di un argomento a scelta fra quelli trattati durante il corso.

Strumenti a supporto della didattica

Il materiale didattico sarà depositato su AMS Campus

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini

Consulta il sito web di Vittorio Morandi