Università degli Studi di Catania
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DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE Corso di laurea magistrale in Chimica dei materiali Anno accademico 2016/2017 - 1° anno CHIMICA FISICA DELLE NANOTECNOLOGIE 7 CFU - 2° semestre Docente titolare dell'insegnamento GIOVANNI MARLETTA Email: [email protected] Edificio / Indirizzo: Edificio 1 - Dipartimento di Scienze Chimiche - Viale A.Doria 6 - Catania Telefono: 095-7385130 Orario ricevimento: Lunedì e Mercoledì ore 15.00 - 17.00 OBIETTIVI FORMATIVI Il corso intende fornire le basi chimico-fisiche delle Nanotecnologie, con particolare riferimento alle classi di materiali molecolari di interesse per tecnologie avanzate. Oggetto del Corso sono, quindi, le nozioni chimico-fisiche alla base del comportamento di sistemi complessi di aggregati molecolari, con particolare attenzione alla loro applicazione a livello nanoscopico, ed i principali strumenti e metodologie di rilievo per il loro studio. Obiettivi formativi, quindi, riguarderanno l'acquisizione della capacità di mettere in relazione i principali fenomeni a livello nanometrico con le leggi chimico-fisiche che li controllano e la capacità di comprendere e scegliere le opportune condizioni per l'uso delle metodologie, di volta in volta, più adatte per studiare sistemi nanometrici o per ottenerne la nanostrutturazione, in considerazione delle loro proprietà funzionali. PREREQUISITI RICHIESTI Conoscenza delle nozioni di base di Termodinamica, Meccanica Quantistica e Spettroscopia molecolare, come da corsi di laurea triennale di Chimica e Chimica Industriale. Nozioni di base di chimica delle Macromolecole. Nozioni di Matematica: nozioni di base sulle funzioni reali e complesse (campo di esistenza, derivabilità, integrabilità); capacità di sviluppare ed usare semplici derivate e risolvere semplici integrali; comprensione dell'uso di equazioni differenziali del 1° e del 2° ordine. Conoscenze di base di Fisica Generale, includenti nozioni di meccanica classica, di elettricità, magnetismo ed ottica. FREQUENZA LEZIONI Frequenza obbligatoria, in particolare per le lezioni di Laboratorio (1 CFU, 12 ore), che si svolgeranno in connessione alle relative lezioni teoriche. Sono ammesse assenze nei limiti definiti dal vigente Regolamento Didattico di Ateneo. CONTENUTI DEL CORSO 1) Introduzione alle Nanotecnologie – Definizione del campo – Criteri di determinazione dei sistemi nanometrici e loro rilevanza (sistemi 1D, 2D, 3D) – (2 ore) 2) Basi chimico-fisiche delle Nanostrutture e delle relative tecniche di osservazione (20 ore) Generalità (2 ore): Richiami di forze intermolecolari e loro caratteristiche generali – Relazione fra Energie di legame / Forze/Scale di tempo nella materia condensata – Cenni sui processi di ordine termodinamico e di ordine cinetico – Gerarchie di ordine spaziale – Stimoli meccanici (4 ore): Grandezze meccaniche per la descrizione di sistemi viscoelastici Risposta di fasi condensate all’applicazione di sforzi – Modulo di Young - Deformazioni dipendenti dalla velocità di applicazione dello sforzo – Concetto di tempo sperimentale e tempi di rilassamento - Deviazioni dai comportamenti ideali – Barriere energetiche di deformazione e “Argomento” di Eyring - Viscosità in liquidi semplici e complessi - Modelli molecolari di elasticità e di risposta meccanica - Scala dei tempi - Approssimazione di piccole deformazioni - Meccanismo molecolare di rilassamento degli sforzi – Stimoli radiativi (2 ore): Interazione radiazione-materia – evoluzione di sistemi solidi e molecolari in condizioni di alte densità locali di energia – processi di etching – processi di grafting. Meccanismi di nucleazione e crescita (3 ore): Caratteri generali delle transizioni liquido-solido – processi di nucleazione omogenea ed eterogenea – Meccanismo di nucleazione omogenea – Bilancio fra termini di superficie e di volume – Barriera energetica di attivazione e raggio critico di crescita di particelle cristalline - Meccanismo di nucleazione eterogenea – Sistema a tre componenti: termini di superficie e termine di volume – Barriera energetica di attivazione eterogenea – Fronti di propagazione lineari e dendritici. Processi nanoscopici nei polimeri: stato cristallino e semicristallino (3 ore)– Lamelle come strutture gerarchiche – I fattori energetici nell’ordine cristallino - Meccanismo di selezione di lunghezza lamellare - Energetica di processo e velocità di crescita di un cristallo - Dipendenza dalla temperatura della velocità di crescita cristallina - Modi di deformazioni a velocità costante e deformazioni oscillatorie - Viscoelasticità lineare e principio di sovrapposizione di Boltzmann Dipendenza della viscoelasticità dalla temperatura: Modulo di rilassamento ed equ. di WilliamsLandel- Ferry (WLF) – Il concetto di “entanglement” - Entanglement e lunghezza di catena - Moto di catene in fase condensata e modello della “reptation” – Approssimazioni e comportamenti non lineari. Proprietà elettriche di sistemi molecolari (6 ore) – Generalità - Peculiarità dei sistemi molecolari – struttura elettronica di fasi molecolari condensate – conducibilità macroscopica e conducibilità specifica – Conduttività e Struttura elettronica di solidi molecolari –Natura e mobilità dei portatori di carica - Massa efficace ,larghezza di banda e conducibilità - Meccanismi di generazione e tipi di portatori di carica – portatori intrinseci – Processi di “Doping” con elettrondonatori o elettron-accettori - Polaroni, bipolaroni e solitoni – Processi di “doping chimico” – Processi di “doping elettrochimico” – Processi di “doping” non-redox – Processi fotoindotti – Sistemi molecolari a trasferimento di carica – Complessi organici – complessi polimero/molecola - Complessi polimero/fullerene - Stati localizzati e meccanismi di "trapping" – Generalità sui meccanismi di “trapping” di carica - “Trapping” alle interfacce ordine/disordine – Distribuzione in energia di stati di “trapping” - Stati di “trapping” da distorsioni conformazionali – Dipoli e “polaroni” - Processi di iniezione di carica e stati localizzati - Stati di superficie – Fenomeni di contatto: Modello di Fabish-Duke – Fattori strutturali e “stati-trappola” – Miscele di polimeri a diversa funzione-lavoro. 3) Metodi di nanostrutturazione (6 ore + 6 Laboratorio): Metodi “top-down”: litografie e nanolitografie - Metodi “bottom-up”: Processi di auto-organizzazione e auto-assemblaggio su superfici - metodi di Langmuir-Blodgett - Metodologie di "soft nanolithography". 4) Microscopie a campo prossimo (6 ore + 6 Laboratorio): Introduzione alle Scanning Probe Microscopies (SPM) - Atomic Force Microscopy (AFM) - Scanning Tunneling Microscopy (STM) - Scanning Near-Field Optical Microscopy (SNOM). 5) Nanotecnologie e Scienze della vita (4 ore): "Cues" nanometriche per proteine, ECM, cellule - Sistemi nanometrici per processi "in-body". 6) Nanotecnologie e Nanoelettronica (4 ore): Cenni ai componenti nanoelettronici – Elementi di elettronica molecolare . TESTI DI RIFERIMENTO 1) Introduzione alle Nanotecnologie Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 2) Basi chimico-fisiche delle Nanostrutture e delle relative tecniche di osservazione Capitoli 2,3,5,7, e 9 da "Soft Condensed Matter", Richard A.L.Jones, Oxford University Press, 2011. Capitoli 3,4,7 e 9 da "Electrical Propertiesof Polymers", T.Blythe and D.Bloor, Cambridge University Press, 2008. 3) Metodi di nanostrutturazione (6 ore + 6 Laboratorio) Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 4) Microscopie a campo prossimo (6 ore + 6 Laboratorio): Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 5) Nanotecnologie e Scienze della vita (4 ore): The nanometric cues for proteins, ECM, cells Nanometric objects for in-body work. Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 6) Nanotecnologie e Nanoelettronica (4 ore) Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi 1 * 1) Introduzione alle Nanotecnologie Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 2 * 2) Basi chimico-fisiche delle Nanostrutture e delle relative tecniche di osservazione Capitoli 2,3,5,7, e 9 da ''Soft Condensed Matter'', Richard A.L.Jones, Oxford University Press, 2011. Capitoli 3,4,7 e 9 da ''Electrical Propertiesof Polymers'', T.Blythe and D.Bloor, Cambridge University Press, 2008. 3 * 3) Metodi di nanostrutturazione Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 4 * 4) Microscopie a campo prossimo Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 5 * Nanotecnologie e Scienze della vita Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici 6 * Nanotecnologie e Nanoelettronica Dispense dalle lezioni e articoli di review da giornali scientifici * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. MATERIALE DIDATTICO Il Corso di Chimica Fisica delle Nanotecnologie è di nuova istituzione e sarà tenuto per la prima volta nell'AA 2016/2017 (II semestre), per cui (in sede di prima erogazione del corso) apposite dispense e materiale bibliografico verranno messi a disposizione degli studenti di volta in volta. Le dispense saranno pubblicate sul sito: PROVA D'ESAME MODALITÀ D'ESAME L'esame si baserà sulla discussione orale di argomenti trattati nel corso e sulla discussione di una esperienza di Laboratorio. DATE D'ESAME 1a sessione AA 2016-2017 20/06/2017 - ore 15.00 20/07/2017 - ore 15.00 2a sessione AA 2016-2017 07/09/2017 - ore 15.00 06/10/2017 - ore 15.00 3a sessione AA 2016-2017 02/03/2018 - ore 15.00 02/03/2018 - ore 15.00 PROVE IN ITINERE Non sono previste prove in itinere. PROVE DI FINE CORSO Non sono previste prove di fine corso. ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Il corso verrà erogato per la prima volta nell'AA 2016/2017. Non esiste ancora, quindi, una esperienza di esami che possa essere adottata come esempio di "domande frequenti".
