Lo stato cristallino: definizione e caratteristiche. Stato cristallino bidimensionale: cella elementare, elementi di simmetria, gruppi puntuali, reticoli, gruppi spaziali. Stato cristallino tridimensionale: celle elementari, indici di Miller e legge di razionalità degli indici, elementi di simmetria, gruppi puntuali, reticoli di Bravais, gruppi spaziali. Reticolo reciproco e relazioni con il reticolo diretto. Cristallografia morfologica: simboleggiatura delle facce e degli spigoli. Classi e sistemi cristallini. Riconoscimento della simmetria puntuale su modellini, metodi di proiezione della morfologia tridimensionale sul piano. Diffrazione dei raggi X da parte dei reticoli cristallini. Relazioni di Laue e legge di Bragg. La sfera di Ewald e la sfera limite. Reticolo reciproco e sfera di riflessione. Metodi sperimentali: metodo delle polveri e interpretazione degli spettri con l’utilizzo di programmi per l’identificazione delle fasi cristalline. Tabelle internazionali di cristallografia Cristallochimica: Poliedri di coordinazione nei cristalli. Regole di Pauling. Vicarianza. Polimorfismo. Isomorfismo. Principi di classificazione dei minerali ed in particolare dei silicati. Caratteristiche fisiche e cristallochimiche delle famiglie di silicati (nesosilicati: inosilicati a catena semplice, inosilicati a catena doppia, fillosilicati e tectosilicati); caratteristiche cristallochimiche di spinelli, carbonati, solfati, fosfati e solfuri. Metodi di caratterizzazione dei cristalli: la microscopia ottica, elettronica a scansione e la spettroscopia Raman

Chimica dei materiali (5 CFU) - Introduzione, materiali strutturali e materiali funzionali. Esempi. Il corso tratterà i processi di produzione e di lavorazione, le proprietà e le applicazioni delle seguenti classi di materiali. Materiali metallici: rame, bronzi e ottoni, magnesio. Trattamenti superficiali, corrosione e metodi di protezione. Materiali ceramici. Cementi e calcestruzzi. Vetri. Materiali ceramici tradizionali e avanzati. Refrattari. Processi di produzione di materiali ceramici di tipo alternativo: processi sol-gel. Materiali funzionali: materiali inorganici e ibridi inorganico-organici funzionali. Proprietà dei materiali alla nanoscala. Semiconduttori. Materiali magnetici. Materiali con proprietà dielettriche. Metodologie di deposizione di film sottili funzionali. Recupero e riciclo dei materiali. Laboratorio di Chimica dei Materiali (5/4 CFU) - Il corso si compone di una parte teorica di 2 CFU basata sugli aspetti di base dell’interazione radiazione – materia e sui principi e le potenzialità applicative delle tecniche analitiche a raggi x (XPS, XRF, EXAFS), elettroniche (AES, SEM, EDS, TEM, EELS), altre tecniche in microscopia (STM, AFM) e vibrazionali (IR, Raman). La parte di laboratorio prevede la preparazione di materiali con proprietà specifiche e la loro caratterizzazione. In particolare, le esperienze riguardano sintesi e caratterizzazione con diverse tecniche di sistemi semiconduttori e studio dell’energy gap, di superconduttori tipo YBCO, di materiali inorganici termocromici con conduzione ionica, di materiali ceramici magnetici, di vetri sol – gel, di materiali cristallini a porosità e morfologia controllate mediante sintesi idrotermali.

Chimica dei materiali (5 CFU) - Introduzione, materiali strutturali e materiali funzionali. Esempi. Il corso tratterà i processi di produzione e di lavorazione, le proprietà e le applicazioni delle seguenti classi di materiali. Materiali metallici: rame, bronzi e ottoni, magnesio. Trattamenti superficiali, corrosione e metodi di protezione. Materiali ceramici. Cementi e calcestruzzi. Vetri. Materiali ceramici tradizionali e avanzati. Refrattari. Processi di produzione di materiali ceramici di tipo alternativo: processi sol-gel. Materiali funzionali: materiali inorganici e ibridi inorganico-organici funzionali. Proprietà dei materiali alla nanoscala. Semiconduttori. Materiali magnetici. Materiali con proprietà dielettriche. Metodologie di deposizione di film sottili funzionali. Recupero e riciclo dei materiali. Laboratorio di Chimica dei Materiali (5/4 CFU) - Il corso si compone di una parte teorica di 2 CFU basata sugli aspetti di base dell’interazione radiazione – materia e sui principi e le potenzialità applicative delle tecniche analitiche a raggi x (XPS, XRF, EXAFS), elettroniche (AES, SEM, EDS, TEM, EELS), altre tecniche in microscopia (STM, AFM) e vibrazionali (IR, Raman). La parte di laboratorio prevede la preparazione di materiali con proprietà specifiche e la loro caratterizzazione. In particolare, le esperienze riguardano sintesi e caratterizzazione con diverse tecniche di sistemi semiconduttori e studio dell’energy gap, di superconduttori tipo YBCO, di materiali inorganici termocromici con conduzione ionica, di materiali ceramici magnetici, di vetri sol – gel, di materiali cristallini a porosità e morfologia controllate mediante sintesi idrotermali.

I:Descrizione delle proprietà chimico-fisiche e classificazione dei solidi. Forze intermolecolari. Elementi di cinetica chimica. Interazioni gas/solido. Modelli di adsorbimento di gas per lo studio delle proprietà tessiturali dei solidi. Metodi di preparazione di materiali micro e mesoporosi e applicazioni in diversi campi di interesse tecnologico. Metodi chimco-fisici per la caratterizzazione di materiali solidi. II:Il laboratorio di chimica fisica dei materiali è un approfondimento delle tematiche trattate durante il corso teorico di Chimica Fisica dei Materiali, ed in particolare sono svolte delle esercitazioni riguardanti le spettroscopie Infrarossa, Raman e fotoluminescenza anche con l’uso di molecole sonda (CO, NH3, pirene, ecc.). Sono anche usate tecniche di adsorbimento di N2 per misure delle aree superficiali e della porosità dei solidi e la microscopia elettronica in scansione. In questo contesto sono sintetizzati e caratterizzati materiali utili alla preparazione di celle solari a colorante di nuova generazione (DSSC): allo scopo di offrire una migliore comprensione del funzionamento di questi dispositivi sono assemblate e caratterizzate nei parametri elettrici alcune celle.

Descrizione delle proprietà chimico-fisiche e classificazione dei solidi. Forze intermolecolari. Elementi di cinetica chimica. Interazioni gas/solido. Modelli di adsorbimento di gas per lo studio delle proprietà tessiturali dei solidi. Metodi di preparazione di materiali micro e mesoporosi e applicazioni in diversi campi di interesse tecnologico. Metodi chimco-fisici per la caratterizzazione di materiali solidi.

Il laboratorio di chimica fisica dei materiali è un approfondimento delle tematiche trattate durante il corso teorico di Chimica Fisica dei Materiali, ed in particolare sono svolte delle esercitazioni riguardanti le spettroscopie Infrarossa, Raman e fotoluminescenza anche con l’uso di molecole sonda (CO, NH3, pirene, ecc.). Sono anche usate tecniche di adsorbimento di N2 per misure delle aree superficiali e della porosità dei solidi e la microscopia elettronica in scansione. In questo contesto sono sintetizzati e caratterizzati materiali utili alla preparazione di celle solari a colorante di nuova generazione (DSSC): allo scopo di offrire una migliore comprensione del funzionamento di questi dispositivi sono assemblate e caratterizzate nei parametri elettrici alcune celle.

Presentazione del corso. Richiamo della struttura cristallina dei materiali metallici, dislocazioni e principali sistemi di rafforzamento (incrudimento, soluzione solida ecc..). Metodi di colata (lingottiera e continua) difetti a cui sono soggetti i getti, principali tecniche di deformazione plastica e di asportazione di truciolo. Richiamo e analisi del diagramma di stato Fe-C stabile e metastabile, presentazioni dei costituenti metallografici tra cui Ferrite, Cementite, Perlite, martensite, Bainite. Trattamenti termici massivi: ricottura, normalizzazione, Bonifica. Acciai per usi specifici, per utensili, acciai inossidabili, ghise, leghe di Al, Mg e Ti. Caratteristiche generali, produzione e applicazione. Confronto tra i differenti materiali metallici trattati, principi di base per la scelta più adatta in una particolare applicazione industriale.

Struttura dei cristalli, vettori e reticoli primitivi. Reticoli di Bravais bidimensionali e tridimensionali con base monoatomica e biatomica. Cella unitaria, cella unitaria di Wigner-Seitz. Reticoli cristallini, esperimento di Bragg e reticolo reciproco. Indici di Miller. Direzioni cristallografiche e piani cristallografici. Sfera di Ewald. Figura di diffrazione. Proprietà del reticolo reciproco. Fattore di struttura nel reticolo reciproco. Tecniche di diffrazione: raggi X, Elettroni e Neutroni. Diffrattometro di Laue, Debye Scherer e goniometro, Microscopia Elettronica SEM e TEM. Tecnica RHEED per lo studio delle superfici. Diffrazione di onde elettroniche nel cristallo, degenerazione alla prima zona di Brillouin. Cenni sulla crescita dei cristalli. Modello classico degli elettroni liberi nei cristalli. Legge di Ohm, conducibilità, velocità di drift, mobilità, tempo di vita media, cammino libero medio. Effetto Hall, coefficiente di Hall. Limiti del modello classico. Modello quantistico, approssimazione ad un elettrone. Relazione di dispersione E(k), sfera di Fermi, densità degli stati. Densità degli stati nel modello a elettroni liberi. Distribuzione di Fermi. Interpretazione quantistica di proprietà termiche ed elettriche in metalli. Regola di Matthiesen, regola di Nordheim. Diagramma a bande, densità degli stati nelle bande, conducibilità nelle bande, classificazione di isolanti, metalli e semiconduttori, Teorema di Bloch. Diagramma a bande ridotto in una e due dimensioni. Gap diretta ed indiretta. Densità di elettroni in banda di conduzione. Lacune. Drogaggio nei semiconduttori. Legge di azione di massa. Dipendenza della conducibilità, della mobilità e e della concentrazione di portatori liberi con la temperatura e con la concentrazione di impurezze. Andamento della concentrazione dei portatori liberi al variare della gap e della temperatura. Determinazione sperimentale della concentrazione di portatori e della mobilità. Casi dei principali semiconduttori. Portatori di maggioranza e minoranza. Ricombinazione. Ratei di generazione e ricombinazione. Tempo di vita medio dei minoritari. Diffusività. Cammino libero medio dei minoritari. Ricombinazioni radiative e non radiative. Difetti nei cristalli. Un difetto inevitabile: la superficie. Stati superficiali, Regione di Carica Spaziale. Giunzione p-n, correnti di diffusione e di drift. Equazione del diodo. Corrente generata nella Regione di Carica Spaziale. Corrente da coppie fotogenerate. Il coefficiente di assorbimento e la lunghezza di penetrazione della luce nei semiconduttori. La cella solare. Tensione di circuito aperto, corrente di cortocircuito, Fill Factor, punto di lavoro, efficienza. Tecnologie a semiconduttore per il fotovoltaico. Considerazioni economiche energetiche, elettrotecniche. Processo di produzione di una cella al Si multicristallino. Cenni su celle al Si amorfo e celle di Graetzel. Ricombinazioni radiative e non-radiative. Diodo LED. Strutture Metallo-Ossido-Semiconduttore (MOS). Transistor MOSFET. Le problematiche relative alla realizzazione di circuiti integrati. Il cablaggio e l'isolamento. I livelli di connessione. Il prodotto rho*epsilon. La legge di Moore. Il modulo del materiale e il modulo della struttura. Lo yield di un processo a multi-step. Proprietà dell'Ossido di Silicio. Applicazioni dell'Ossido di Silicio nella tecnologia Microelettronica. Suo impiego nel drogaggio per diffusione ed impiantazione Ionica. Ossido termico, secco e umido. Modello di Deal e Grove. Ossido da Chemical Vapor Deposition, termico e via plasma. Teoria dell'elasticità. Strain e stress normali e di taglio. Coefficienti di Lamè, modulo di Young, coefficiente di Poisson, Modulo di massa. Energia elastica. Fononi, prima zona di Brillouin, relazione di dispersione, modi fononici: longitudinale e trasversale. Il fonone come quasi-particella, conservazione di Energia e Momento. Statistica di Bose-Einstein Effetto Raman, modi di Stokes and anti-Stokes. Fononi in basi biatomiche: branca ottica e branca acustica. Termometro Raman. Richiamo dei concetti e definizioni fondamentali del magnetismo. Diamagnetismo e Paramagnetismo. Teoria del campo medio nel ferromagnetismo: Funzione di Langevin, risoluzione grafica, temperatura di Curie, equazione di Curie-Weiss. Cenni su ferrimagnetismo e antiferromagnetismo, Temperatura di Nèel. Oltre la teoria di campo medio, direzioni preferenziali. Domini Magnetici, pareti di dominio, pareti di Nèel e di Bloch, Moto delle pareti: considerazioni energetiche. Interazione parete-difetto. Ciclo di isteresi. Perdite di potenza: da correnti parassite e isteretiche. Calcolo della perdita come integrale del ciclo di isteresi. Risposta in frequenza. Ferromagneti duri e dolci. Memorizzazione magnetica e trasformatori. Modifiche del ciclo tramite ingegneria dei difetti e sollecitazioni meccaniche. Superconduttività. Superconduttori di I e II tipo, Effetto Meissner, Equazioni di London, lunghezza di penetrazione. Temperatura critica, Campo Magnetico critico, Corrente critica. Superconduttori ad alta Tc. Elementi di teoria BCS, coppie di Cooper, lunghezza di coerenza. Capacità termica in funzione della temperatura, gap di energia nei superconduttori. Predizioni della teoria BCS. Origine della gap nei superconduttori. Leggi di scala nella BCS. Applicazioni dei superconduttori: effetto Josephson, elettromagneti, trasporto di energia, treno a levitazione magnetica.

Lo stato cristallino: definizione e caratteristiche. Stato cristallino bidimensionale: cella elementare, elementi di simmetria, gruppi puntuali, reticoli, gruppi spaziali. Stato cristallino tridimensionale: celle elementari, indici di Miller e legge di razionalità degli indici, elementi di simmetria, gruppi puntuali, reticoli di Bravais, gruppi spaziali. Reticolo reciproco e relazioni con il reticolo diretto. Cristallografia morfologica: simboleggiatura delle facce e degli spigoli. Classi e sistemi cristallini. Riconoscimento della simmetria puntuale su modellini, metodi di proiezione della morfologia tridimensionale sul piano. Diffrazione dei raggi X da parte dei reticoli cristallini. Relazioni di Laue e legge di Bragg. La sfera di Ewald e la sfera limite. Reticolo reciproco e sfera di riflessione. Metodi sperimentali: metodo delle polveri e interpretazione degli spettri con l’utilizzo di programmi per l’identificazione delle fasi cristalline. Tabelle internazionali di cristallografia Cristallochimica: Poliedri di coordinazione nei cristalli. Regole di Pauling. Vicarianza. Polimorfismo. Isomorfismo. Principi di classificazione dei minerali ed in particolare dei silicati. Caratteristiche fisiche e cristallochimiche delle famiglie di silicati (nesosilicati: inosilicati a catena semplice, inosilicati a catena doppia, fillosilicati e tectosilicati); caratteristiche cristallochimiche di spinelli, carbonati, solfati, fosfati e solfuri. Metodi di caratterizzazione dei cristalli: la microscopia ottica, elettronica a scansione e la spettroscopia Raman

Richiami di grandezze fisiche e concetti fondamentali: unità di misura, termodinamica, elettromagnetismo. Elementi di climatologia a scala locale e globale. Ciclo del carbonio ed effetto serra. Efficienza energetica, sviluppo sostenibile. Energia rinnovabile: Solare - biomasse, solare termico, fotovoltaico, idroelettrico, energia eolica, energia dal mare - Geotermica, Nucleare. Il risparmio energetico - efficienza energetica: illuminazione, efficienza degli edifici. Isolamento termico e acustico in edilizia, certificazione energetica e normative. Applicazioni.

Proprietà dei nuclei: dimensione, massa, energia di legame, carica. La valle di stabilità. Proprietà quantistiche: livelli energetici, momento angolare, parità, isospin, momento magnetico. Modelli nucleari: modello a goccia di liquido, a gas di Fermi, a gusci. Reazioni nucleari: fissione e fusione. Instabilità nucleare: decadimenti alfa e beta. Caratteristiche della forza nucleare. Produzione e utilizzo di radioisotopi. Cenno all'imaging con neutroni.

Mod. B:Introduzione alle micro e nanotecnologie, Silicon Technology, Micro e nanolitografia, microsistemi e MEMS, Tecniche di nanofabbricazione chimiche ed elettrochimiche, microscopia ottica ed elettronica, esercitazione di laboratorio sulla nanolitografia per self-assembly mediante nanosfere di polistirene, deposizione di film sottili per sputtering e microscopia elettronica (presso Lab. Quantum Research e NanoFacility Piemonte, INRiM Torino) Mod. C:Cenni di ottica di Fourier. Descrizione di un fascio gaussiano. La matrice di trasferimento per un fascio Gaussiano in approssimazione parassiale. Cenni di interferometria. Collimazione di un laser tramite Shearing interferometry Misura della divergenza analizzando l’immagine del fascio nel fuoco di una lente.

Introduzione alle micro e nanotecnologie, Silicon Technology, Micro e nanolitografia, microsistemi e MEMS, Tecniche di nanofabbricazione chimiche ed elettrochimiche, microscopia ottica ed elettronica, esercitazione di laboratorio sulla nanolitografia per self-assembly mediante nanosfere di polistirene, deposizione di film sottili per sputtering e microscopia elettronica (presso Lab. Quantum Research e NanoFacility Piemonte, INRiM Torino)

Lo strato limite planetario, Vento medio e turbolenza, Approccio statistico allo studio della turbolenza, categorie di Pasquill, lunghezza di Monin-Obukhov, Numero di Richardson, bilancio energia al suolo, Evoluzione giorno notte del PBL, strato convettivo e strato residuale, strato stabile e strato di Ekman, teoria di Taylor della dispersione, processi stocastici, modelli di dispersione, Microclima per i beni culturali, introduzione, effetti della temperature e dell’umidità, impianti di condizionamento e raffrescamento, la radiazione, deposizione del particolato, piogge acide, croste nere e bianche.

Seguendo la parte (A) del corso, saranno analizzati i materiali che si riscontrano tipicamente in ambienti indoor (ad esempio l’ambiente museale) di potenziale interesse nell’ambito dei beni culturali, con particolare attenzione alla caratterizzazione e conservazione di alcune classi di materiali: lapidei, intonaci e affreschi. Circa un credito formativo sarà speso nella presentazione dei pigmenti antichi, la loro preparazione e caratterizzazione. Saranno illustrati esempi di applicazioni nell’ambito della conservazione di manufatti cartacei e di papiro. Infine saranno illustrate le tecniche più comuni di datazione dei manufatti.

Prima parte. Introduzione su nanomateriali e nanotecnologie: storia, definizioni ed applicazioni. Le nanotecnologie e le biotecnologie: nanobiotecnologie. L’interfaccia tra nanomateriali e mondo biologico. Cenni di biologia cellulare: struttura e composizione della cellula, compartimenti intracellulari, membrane biologiche, meccanismi di internalizzazione. Proprietà dei nanomateriali che ne influenzano l’interazione con il mezzo biologico (forma, dimensione, composizione, proprietà di superficie). Seconda parte. Tecniche di indagine nanobiotecnologica. Tecniche microscopiche: microscopie elettroniche (SEM, FESEM, HRTEM, crio-TEM); microscopie a sonda (STM, AFM); microscopie ottiche (contrasto di fase, contrasto interferenziale,.); microscopie a fluorescenza (semplice, multifluorescence, time-lapse, confocale, super-resolution, 2-photon, FRET, FLIM, FRAP, FLIP, single-molecule.); microscopia Raman; microscopia FTIR. Per ogni tecnica microscopica verranno illustrati i principi fisici e gli aspetti tecnologici di base con particolare riferimento alle loro potenzialità di utilizzo in campo nanobiotecnologico. Il modulo di microscopia a fluorescenza verrà preceduto da una lezione introduttiva sulle tecniche di marcatura fluorescente di nanosistemi. Terza parte. Casi studio ed esempi dalla letteratura recente.

Policondensazioni, polimerizzazioni radicaliche, copolimerizzazioni e polimerizzazioni radicaliche controllate, cenni teorici. Esperienza: copolimerizzazione radicalica di stirene e metilacrilato, sintesi, caratterizzazione dei materiali ottenuti e determinazione dei rapporti di reattività. Pesi molecolari e determinazione dei pesi molecolari. Analisi termica di materiali polimerici mediante tecniche DSC e TGA. Determinazione della transizione vetrosa. Esperienza: determinazione del peso molecolare di campioni di polistirene. Esperienza: determinazione delle proprietà termiche di campioni di PET commerciali.

Elasticità delle gomme. Transizione vetrosa. Stato cristallino. Meccanica dei materiali. Creep e stress relaxation. Viscoelasticità e modelli di rilassamento. Reologia ed elementi di processing. Materiali per applicazioni ortopediche, vascolari, oftalmiche, suture. Sistemi di delivery di farmaci e dispositivi idrogelici associati.

Il corso introduce lo studente alle basi fisiche di alcune tecnologie avanzate. Gli argomenti trattati includono: proprietà elettriche, dielettriche, termiche e meccaniche dei materiali; proprietà dei semiconduttori; tecnologie elettroniche e microelettroniche; applicazioni alle tecnologie dell'informazione. Sono previste alcune esercitazioni di laboratorio.

1) Richiami dei postulati della meccanica quantistica, e delle loro applicazioni alla risoluzione di sistemi semplici. Momento angolare. 2) Spin dell’elettrone: esperimento di Stern Gerlach e teoria di Pauli. Addizione di momenti angolari e coefficienti di Clebsch-Gordan. 3) Sistemi di particelle identiche. Statistiche di Bose e di Fermi. 4) Operatore densità. Stati puri e misti. 5) Stati correlati e disuguaglianza di Bell. Fotoni polarizzati. Teletrasporto. 6) Introduzione alla computazione quantistica.

Policondensazioni, polimerizzazioni radicaliche, copolimerizzazioni e polimerizzazioni radicaliche controllate, cenni teorici. Esperienza: copolimerizzazione radicalica di stirene e metilacrilato, sintesi, caratterizzazione dei materiali ottenuti e determinazione dei rapporti di reattività. Pesi molecolari e determinazione dei pesi molecolari. Analisi termica di materiali polimerici mediante tecniche DSC e TGA. Determinazione della transizione vetrosa. Esperienza: determinazione del peso molecolare di campioni di polistirene. Esperienza: determinazione delle proprietà termiche di campioni di PET commerciali.

I principi della termodinamica. Entalpia di reazione e termochimica. Entropia, processi spontanei, funzioni di stato e definizione della funzione energia libera di Gibbs. Funzioni molari standard. Proprietà della funzione di Gibbs e sua dipendenza dalla pressione e dalla temperatura. Gas reali e fugacità. Potenziali chimici. Sistemi aperti e variazioni di composizione. Transizioni di fase e diagrammi di fase. Miscele semplici e miscele reali (attività). Proprietà colligative. Le reazioni chimiche: reazioni spontanee, composizione all’equilibrio. Relazione tra variazione di energia libera standard di reazione e costante di equilibrio. Dipendenza degli equilibri da pressione e temperatura. Nelle esercitazioni di laboratorio verranno effettuate alcune esperienze di termodinamica, di compressione ed espansione di gas e di spettroscopia IR.

Modulo certificazione I NORME E SISTEMI QUALITÀ: Ia. Le norme cogenti e norme volontarie; Ib. Enti normatori e certificazione (il sistema di accreditamento e certificazione) Ic. Sistemi qualità (evoluzione della normativa) Id. Analisi dello standard ISO 9001 : 2000 (introduzione e analisi dei punti) II SISTEMI DI GESTIONE AMBIENTALI IIa. Analisi dello standard UNI CEI EN ISO 14001 : 2004 IIb. L’ audit ambientale e le modalità di quantificazione degli aspetti ambientali IIc. Il regolamento EMAS III SISTEMI DI QUALITÀ PER I LABORATORI III a. Analisi dello standard UNI CEI EN ISO 17025 : 2000 III b. Requisiti per personale ed apparecchiautre di un laboratorio di prova III c. Ripetibilità ed incertezza di misura IIId. Proficiency test e materiali di riferimento IV STRUMENTI STATISTICI PER IL CONTROLLO DI QUALITA IVa. Brevi cenni storici (la statistica e la qualità) IVb. Indicatori statistici, carte di controllo IVc. Metrologia ed incertezza di misura IVd. Trattamento statistico dei dati analitici IVe. Validazione di metodi analitici IVf. Teoria della calibrazione IVg. Tecniche di pianificazione sperimentale Modulo chimica analitica Chimica analitica Parte 1: Equilibri in soluzione (acido-base, complessazione, precipitazione, redox); il coefficiente di attività; le determinazioni volumetriche (calcolo della curva di titolazione, sistemi indicatore, le titolazioni più importanti). Parte 2: Introduzione alle tecniche cromatografiche: teoria dei piatti teorici, teoria delle velocità, equazione di Van Deemter, parametri per la valutazione della bontà della separazione cromatografica: efficienza, risoluzione, scodatura, larghezza e asimmetria dei picchi. Meccanismi di separazione cromatografica: adsorbimento, ripartizione, scambio ionico, esclusione dimensionale. Cromatografia liquida e gascromatografia. Strumentazione HPLC: pompe, sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Strumentazione GC: sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Introduzione alle tecniche spettroscopiche di assorbimento ed emissione atomica. Assorbimento atomico a fiamma, fornetto di grafite, plasma accoppiato induttivamente. Strumentazione utilizzata: lampada a catodo cavo e a scarica senza elettrodi, sistema di atomizzazione, introduzione del campione, monocromatori, rivelatori. Interferenze spettrali, chimiche, effetto della matrice. Spettroscopia UV-vis: legge di Lambert-Beer e sue deviazioni, componenti strumentali, titolazioni spettrofotometriche, analisi di miscele. Introduzione alla spettrometria di massa. Strumentazione utilizzata: orgenti hard e soft più utilizzate, analizzatori di massa (settore magnetico e quadrupolo), rivelatori. Tipi di spettri di massa e loro utilizzo in indagini qualitative e quantitative. Metodi quantitativi: validazione del metodo, cenni sui parametri da valutare per la validazione dei metodi, rappresentazione dei risultati (media, scarto tipo, intervallo di confidenza e test statistici), limite critico, LOD, LOQ, metodo della retta di taratura, metodo dello standard interno, metodo delle aggiunte multiple, metodo dell'aggiunta singola. Laboratorio Lezioni in aula: breve introduzione alle esperienze di laboratorio. Analisi di leghe metalliche, i problemi relativi alla dissoluzione dei materiali metallici, l'interferenza dei vari componenti fra loro e rispetto alla matrice, il confronto fra metodi. Esercitazioni in laboratorio individuali e/o di gruppo, comprendono: • titolazione del rame per via complessometrica • determinazione del rame e zinco in una delle sue leghe più comuni: confronto dei risultati ottenuti per determinazione in spettrofotometrica UV-Vis e titolazione.

Struttura della materia:1) Richiami dei fondamenti e del formalismo della meccanica quantistica. Vettori bra e ket. Risoluzione di sistemi semplici. Richiami della teoria del momento angolare. Atomo di idrogeno. Effetto Zeeman. 2) Spin dell’ elettrone. Addizione dei momenti angolari 3) Sistemi di particelle identiche. Bosoni e fermioni. Principio di esclusione di Pauli. 4) Metodi di approssimazione. Teoria delle perturbazioni. Metodo variazionale. Effetto Stark. Applicazioni a sistemi atomici. Radiazione in equilibrio con la materia – Emissione spontanea e indotta – Coefficenti di Einstein– Maser e laser 5) Cenni di meccanica statistica quantistica. Matrice densità. Entropia 6) Atomi a molti elettroni – Atomo di elio 7) Introduzione alle proprietà delle molecole. La molecola di idrogeno. Molecole poliatomiche – Molecola di acqua e sua distribuzione elettronica – Rotazioni molecolari – Vibrazioni molecolari Spettri rotovibrazionali . 8) Introduzione alla fisica dei cristalli e dello stato solido. Laboratorio:Materiali ferromagnetici (8 ore). Grandezze fondamentali. Materiali paramagnetici e ferromagnetici (Teoria di Langevin); termini di energia nei materiali ferromagnetici. Processo di magnetizzazione (curva di prima magnetizzazione e ciclo d’isteresi), processi reversibili e irreversibili, perdita di energia. Misura della curva di prima magnetizzazione e del ciclo di isteresi. Giogo di Epstein, wattmetro digitale per misure a norma e per misure in regime d’induzione bidimensionale. Misura delle caratteristiche fondamentali di un materiale ferromagnetico: permeabilità, rimanenza, magnetizzazione di saturazione, campo coercitivo e perdita di energia. Semiconduttori (8 ore). Verrà condotta un’esperienza riguardante la caratterizzazione di diodi al silicio e di dispositivi basati su nanofili di silicio per illustrare la teoria della giunzione p-n e sue applicazioni nei dispositivi, ed il ruolo che la riduzione della dimensionalità ed il confinamento quantico hanno sulle caratteristiche elettriche di simili sistemi. L’esperienza consiste nell’acquisizione di una o più caratteristiche I-V di silicio nanostrutturato e viene condotta in un criostato a dito freddo che può raggiungere temperature fino a 4 K adattato con ingresso controllato di gas sonda quali NO2 e NH3, che consentono lo studio dell’interazione tra tali specie gassose ed i dispositivi al silicio. Preventivamente verranno forniti i contenuti teorici necessari alla comprensione del suddetto esperimento. Superconduttività (8 ore). Verrà condotto un esperimento di caratterizzazione elettrica di un dispositivo quantistico Josephson (giunzione Josephson singola, piccola schiera di giunzioni e/o nanoSQUID) realizzato nei laboratori di micro e nanofabbricazione dell’INRIM, alla temperatura criogenica di 4.2 K in elio liquido. L'esperienza consiste nell’acquisizione di una caratteristica corrente-tensione del dispositivo e nella rivelazione dell’effetto Josephson (sia in regime continuo che in regime alternato mediante l’invio di un segnale in radiofrequenza). Preventivamente verranno forniti i contenuti teorici necessari alla comprensione del suddetto esperimento.

1) Richiami dei fondamenti e del formalismo della meccanica quantistica. Vettori bra e ket. Risoluzione di sistemi semplici. Richiami della teoria del momento angolare. Atomo di idrogeno. Effetto Zeeman. 2) Spin dell’ elettrone. Addizione dei momenti angolari 3) Sistemi di particelle identiche. Bosoni e fermioni. Principio di esclusione di Pauli. 4) Metodi di approssimazione. Teoria delle perturbazioni. Metodo variazionale. Effetto Stark. Applicazioni a sistemi atomici. Radiazione in equilibrio con la materia – Emissione spontanea e indotta – Coefficenti di Einstein– Maser e laser 5) Cenni di meccanica statistica quantistica. Matrice densità. Entropia 6) Atomi a molti elettroni – Atomo di elio 7) Introduzione alle proprietà delle molecole. La molecola di idrogeno. Molecole poliatomiche – Molecola di acqua e sua distribuzione elettronica – Rotazioni molecolari – Vibrazioni molecolari Spettri rotovibrazionali . 8) Introduzione alla fisica dei cristalli e dello stato solido.

Materiali ferromagnetici (8 ore). Grandezze fondamentali. Materiali paramagnetici e ferromagnetici (Teoria di Langevin); termini di energia nei materiali ferromagnetici. Processo di magnetizzazione (curva di prima magnetizzazione e ciclo d’isteresi), processi reversibili e irreversibili, perdita di energia. Misura della curva di prima magnetizzazione e del ciclo di isteresi. Giogo di Epstein, wattmetro digitale per misure a norma e per misure in regime d’induzione bidimensionale. Misura delle caratteristiche fondamentali di un materiale ferromagnetico: permeabilità, rimanenza, magnetizzazione di saturazione, campo coercitivo e perdita di energia. Semiconduttori (8 ore). Verrà condotta un’esperienza riguardante la caratterizzazione di diodi al silicio e di dispositivi basati su nanofili di silicio per illustrare la teoria della giunzione p-n e sue applicazioni nei dispositivi, ed il ruolo che la riduzione della dimensionalità ed il confinamento quantico hanno sulle caratteristiche elettriche di simili sistemi. L’esperienza consiste nell’acquisizione di una o più caratteristiche I-V di silicio nanostrutturato e viene condotta in un criostato a dito freddo che può raggiungere temperature fino a 4 K adattato con ingresso controllato di gas sonda quali NO2 e NH3, che consentono lo studio dell’interazione tra tali specie gassose ed i dispositivi al silicio. Preventivamente verranno forniti i contenuti teorici necessari alla comprensione del suddetto esperimento. Superconduttività (8 ore). Verrà condotto un esperimento di caratterizzazione elettrica di un dispositivo quantistico Josephson (giunzione Josephson singola, piccola schiera di giunzioni e/o nanoSQUID) realizzato nei laboratori di micro e nanofabbricazione dell’INRIM, alla temperatura criogenica di 4.2 K in elio liquido. L'esperienza consiste nell’acquisizione di una caratteristica corrente-tensione del dispositivo e nella rivelazione dell’effetto Josephson (sia in regime continuo che in regime alternato mediante l’invio di un segnale in radiofrequenza). Preventivamente verranno forniti i contenuti teorici necessari alla comprensione del suddetto esperimento.

Rappresentazione dei numeri in virgola mobile, errori nella rappresentazione e precisione macchina. Programmi compilati, librerie. Ripasso dei costrutti fondamentali del linguaggio C. Approssimazione degli zeri di una funzione. Approssimazioni di funzioni e di dati. Interpolazione polinomiale. Minimi quadrati. Integrazione numerica. Sistemi di equazioni lineari. Numeri pseudocasuali e metodo MonteCarlo. Il corso è integrato da esercitazioni di Laboratorio che utilizzano il linguaggio C.

Numeri Complessi. Somme finite. Serie e successioni. Classificazione, esempi e applicazioni, serie binomiale. Criteri di convergenza. Succesioni e serie di funzioni. Convergenza puntuale e totale. Derivazione e integrazione di serie. Serie di potenze e raggio di convergenza. Esempi di risoluzione di equazioni differenziali tramite serie di potenze. Successioni e serie nel piano complesso. Serie di potenze complesse e raggio di convergenza. Esponenziale complesso e formula di Eulero. Logaritmo complesso e calcolo di Pi greco. Serie trigonometriche ed iperboliche elementari. Funzioni periodiche. Serie di Fourier. Esempi, esercizi ed applicazioni. Equazioni differenziali, applicazioni.

- introduzione alla programmazione ed al linguaggio C; - compilazione vs interpretazione vs soluzione mista (alla Java); - concetti di base della programmazione: variabili, tipi di dato; - input e output in C; - primi programmi C con il solo uso di sequenze; - costrutto di selezione (if..else) e condizioni booleane; - iterazione e costrutto while; cicli for e do-while ed equivalenza fra i costrutti iterativi; - funzioni e passaggio dei parametri; passaggio dei parametri per valore; concetto di puntatore e passaggio dei parametri per riferimento; passaggio dei parametri per valore vs passaggio dei parametri per riferimento; - array e algoritmi su array; - dimostrazione formale di correttezza di un algoritmo; analisi di complessità di un algoritmo.

- introduzione alla programmazione ed al linguaggio C; - compilazione vs interpretazione vs soluzione mista (alla Java); - concetti di base della programmazione: variabili, tipi di dato; - input e output in C; - primi programmi C con il solo uso di sequenze; - costrutto di selezione (if..else) e condizioni booleane; - iterazione e costrutto while; cicli for e do-while ed equivalenza fra i costrutti iterativi; - funzioni e passaggio dei parametri; passaggio dei parametri per valore; concetto di puntatore e passaggio dei parametri per riferimento; passaggio dei parametri per valore vs passaggio dei parametri per riferimento; - array e algoritmi su array; - dimostrazione formale di correttezza di un algoritmo; analisi di complessità di un algoritmo.

Materia, elementi, composti e miscele. Costante di Avogadro e concetto di mole. Atomi e isotopi. Reazioni chimiche e bilanciamento di una reazione. Nomenclatura chimica. Teoria atomica. Modello atomico di Bohr. Numeri quantici e orbitali atomici. Sistema periodico e proprietà periodiche degli elementi. Concetti fondamentali sul legame chimico: teoria di Lewis e geometria delle molecole mediante il modello VSEPR. Legame covalente, ionico, metallico. Legami intermolecolari. Stati della materia (gas, liquido e solido) e loro proprietà principali. Soluzioni, concentrazione e proprietà colligative. Cinetica chimica: velocità e ordine di una reazione; energia di attivazione; meccanismi di reazione; catalisi. Termochimica e termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera. Equilibrio chimico: costante di equilibrio e principio di Le Chatelier. Acidi e basi: teorie di Arrhenius e Bronsted-Lowry; forza di acidi e basi. Soluzioni tampone. Idrolisi. Solubilità e prodotto di solubilità. Elettrochimica: stati di ossidazione e reazioni redox; potenziali standard di riduzione, equazione di Nernst ed elettrolisi. Cenni di chimica nucleare. Cenni sulle proprietà degli elementi dei gruppi principali e di transizione (presenza in natura, utilizzo, composti più importanti e principali reazioni) Esercizi di stechiometria relativi agli argomenti sopraccitati. Esperienze di laboratorio: Norme di sicurezza in Laboratorio. Tecniche di base (pesata, filtrazione, soluzioni a titolo noto, diluizioni). Soluzioni di acidi e basi, idrolisi, tamponi. Uso degli indicatori. Titolazione acido forte-base forte. Studio di cinetica di reazione. Studio sperimentale dei potenziali redox di riduzione di elementi metallici.

Struttura elettronica dell’atomo di carbonio, ibridazione sp3, sp2, sp. Alcani: struttura tridimensionale, molecole lineari e ramificate, l’isomeria posizionale, le proprietà fondamentali. Cicloalcani, struttura e proprietà, la tensione anulare. Rappresentazione bidimensionale delle molecole (uso di cunei e tratteggi). Struttura elettronica dell’azoto e dell’ossigeno; i gruppi funzionali contenenti N ed O aventi solo legami singoli: alcoli, eteri, ammine. Cenni sui composti solforati e sugli alogenuri alchilici. Rotazione intorno a legami singoli: il concetto di conformazione molecolare, proiezioni di Newman, grafici energetici, analisi conformazionale di cicli saturi (cicloesano). Il carbonio ibridato sp2: alcheni, dieni, dieni coniugati. Stereoisomeria E, Z. Il benzene ed il concetto di aromaticità: regola di Hückel. Proprietà degli idrocarburi aromatici. Gli eterociclici aromatici, soprattutto quelli azotati: struttura ed importanza biologica. Altri gruppi funzionali con legami multipli: i composti carbonilici, rassegna dei vari tipi e proprietà fondamentali. Cenni su immine ed altri derivati azotati e solforati (acidi solfonici). Carbonio ibridato sp: gli alchini, i nitrili. Il concetto di chiralità: molecole chirali ed achirali, simmetria molecolare planare, il concetto di stereocentro, gli enantiomeri. Serie stereochimica R ed S, le regole di Cahn, Ingold e Prelog per l’assegnazione della configurazione assoluta. I diastereoisomeri, definizione, esempi. Molecole con più di uno stereocentro, configurazioni relative ed assolute, proprietà chimico-fisiche degli enantiomeri e dei diastereoisomeri. Polarità dei legami e delle molecole, solubilità. Possibilità di formare legami idrogeno, proticità. Il concetto di acido e base in chimica organica, sia secondo Brønsted che secondo Lewis. Il concetto di elettrofilo e di nucleofilo; cenni di termodinamica e cinetica. Le sostituzioni nucleofile alifatiche, generalità, i meccanismi SN1 ed SN2: requisiti del substrato e del nucleofilo, l’importanza del solvente. Gruppi uscenti nelle SN alifatiche. Le reazioni di eliminazione: meccanismi E1 ed E2. Addizioni di elettrofili agli alcheni, meccanismi delle addizioni di HX e X2. Regola di Markovnikov, stabilità dei carbocationi. Altre reazioni delle olefine: ossidazioni ad alcoli, riduzioni. Le reazioni dei composti carbonilici, differenza tra le reazioni di addizione e quelle di sostituzione. Esempi di addizione di nucleofili ad aldeidi e chetoni, uso e proprietà dei reagenti carbanionici. La tautomeria cheto-enolica, stabilità relativa delle specie. Gli ioni enolato, generazione, proprietà ed uso nella sintesi organica. La condensazione aldolica (generalizzata). Le SNAc, meccanismo ed esempi di alcune reazioni importanti in chimica bio-organica. Fondamenti essenziali della chimica dei lipidi, peptidi, zuccheri ed acidi nucleici.

In una prima parte del corso si analizzeranno le più comuni tecniche di separazione e purificazione di composti organici (filtrazione, estrazione liquido-liquido, cristallizzazione, distillazione semplice, distillazione frazionata, cromatografia su colonna e su strato sottile, gas cromatografia e cromatografia liquida ad alta pressione). In una seconda parte si analizzeranno le tecniche di spettrometria di massa e le spettroscopie IR, UV, NMR, con brevi cenni alle loro basi teoriche e applicazione all’analisi dei principali gruppi funzionali supportata da un adeguato numero di esercitazioni sull’interpretazione di spettri di massa, IR, UV e NMR di composti organici. Si condurranno quindi esperienze specifiche di laboratorio atte ad addestrare lo studente con le tecniche esposte nelle lezioni teoriche. Verranno eseguite un’esperienza di separazione e isolamento di composti organici; esperienze di semplici reazioni come la riduzione della benzaldeide, l’ossidazione del benzil alcol, l’esterificazione dell’acido benzoico e dell’acido acetilsalicilico per la sintesi dell'aspirina e la reazione di condensazione di Claisen nella sintesi del dibenzalacetone. Tutte le reazioni saranno seguite utilizzando la tecnica di cromatografia su strato sottile.

Metodo sperimentale in Fisica, unità di misura, grandezze scalari e vettoriali. Cinematica del punto: vettore posizione, velocità e accelerazione. Moti unidimensionali e bidimensionali, moto circolare uniforme. Forza, massa, i tre principi della dinamica. Forza elastica, forza gravitazionale. Forze di attrito. Lavoro ed energia cinetica. Teorema delle forze vive. Forze conservative e energia potenziale. Conservazione dell'energia meccanica. Quantità di moto e principio di conservazione della quantità di moto. Momento angolare. Momento meccanico. Principio di conservazione del momento angolare. Oscillatore armonico, oscillatore armonico smorzato, oscillatore armonico forzato. Sistemi di punti materiali, concetto di centro di massa. Urto completamente anelastico, urto elastico. Dinamica del corpo rigido, moto del corpo rigido, leggi di conservazione del moto di un corpo rigido. Fluidi e solidi, Pressione e massa volumica, Variazione della pressione in un fluido a riposo, Il principio di Pascal e il principio di Archimede, Concetti generali sul moto dei fluidi, Linee di flusso ed equazione di continuità, L’Equazione di Bernoulli. Sistemi e stati termodinamici, variabili termodinamiche macroscopiche estensive ed intensive. Definizione di temperatura, termometria. Esperimenti di Joule, sorgenti di calore, primo principio della termodinamica, calorimetria, misura di calori specifici. Transizioni di fase e loro classificazione. Equazione di stato dei gas ideali, trasformazioni di un gas ideale (isoterma, isobara, isocora e adiabatica). Energia interna di un gas ideale, ciclo di Carnot. Secondo principio della termodinamica, i postulati di Kelvin-Planck e di Clausius, l'entropia come funzione di stato, il principio di aumento dell'entropia in un sistema isolato. Metodi di misura e analisi dati. Teoria degli errori di misura, errori statistici. Confronto di due misure. Propagazione degli errori. Stima del valor medio e della varianza. Introduzione alla probabilità e alla statistica. Spazio di probabilità. Assiomi della probabilità. Variabili aleatorie. Distribuzioni e densità di probabilità. Medie pesate. Covarianza e della correlazione.

A:Elettrostatica: legge di Coulomb, dipolo elettrico, legge di Gauss, condensatori e dielettrici. Corrente elettrica, leggi di Ohm, circuiti in corrente continua, resistori, circuiti RC. Campo magnetico, forza di Lorentz, forza magnetica su una corrente, momento agente su una spira percorsa da corrente. Legge di Biot e Savart, legge di Ampere, solenoide. Induzione elettromagnetica: leggi di Faraday e Lenz, forze elettromotrici, legge di Gauss per il magnetismo. Materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. Induttanza, circuiti oscillanti, correnti alternate, circuito RLC. Equazioni di Maxwell in forma differenziale. Onde elettromagnetiche, vettore di Poynting, energia e quantità di moto delle onde elettromagnetiche. Interferenza: esperienza di Young. Diffrazione da fenditura singola e da apertura circolare. Dispersione. B:Circuiti in corrente continua, leggi di Kirchhoff, soluzione di circuiti. Ottica geometrica: legge della riflessione e della rifrazione, diottro sferico, specchi, lenti sottili e formazione dell'immagine. Descrizione delle esperienze in laboratorio (misura dell'attrito di diverse superfici, misura del potere rotatorio di una sostanza otticamente attiva, misura della lunghezza d'onda mediante reticolo di diffrazione, verifica della legge di Ohm, misure con diodo a semiconduttore, misure su circuiti RC) e effettuazione delle medesime esperienze in laboratorio.

Mod. A Numeri reali: richiami sulla struttura di campo, completezza e sue conseguenze. Funzioni reali di variabile reale: dominio, codominio e proprietà; concetto e definizione di limite: teoremi e operazioni relative; forme indeterminate; funzioni continue e teoremi relativi. Concetto, definizione e significato geometrico di derivata; calcolo e operazioni sulle derivate; teorema di de l'Hospital; utilizzo della derivata per determinare massimi, minimi, flessi; studio grafico di una funzione. Definizione e proprietà degli integrali indefiniti; vari metodi di integrazione; nozione di integrale definito e sua interpretazione geometrica, additività dell'integrale; cenno all'integrazione delle funzioni razionali fratte. Mod. B Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di due variabili reali; dominio e linee di livello; derivate parziali e piano tangente; estremi liberi e vincolati. Equazioni differenziali: problema di Cauchy; equazioni differenziali del 1° ordine a variabili separabili; equazioni lineari del 1° e del 2° ordine a coefficienti costanti. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: integrali definiti dipendenti da un parametro; calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive; cambiamento di variabile negli integrali doppi, applicazioni.

Numeri reali: richiami sulla struttura di campo, completezza e sue conseguenze. Funzioni reali di variabile reale: dominio, codominio e proprietà; concetto e definizione di limite: teoremi ed operazioni relative; forme indeterminate; funzioni continue e teoremi relativi. Concetto, definizione e significato geometrico di derivata; calcolo e operazioni sulle derivate; teorema di De L’Hospital e applicazioni al calcolo dei limiti; utilizzo della derivazione per determinare monotonia e convessità; costruzione del grafico di una funzione. Definizione e proprietà degli integrali indefiniti; vari metodi di integrazione; nozione di integrale definito e sua interpretazione geometrica, additività dell'integrale; cenno all'integrazione delle funzioni razionali fratte.

Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di due variabili reali; dominio e linee di livello; derivate parziali e piano tangente; estremi liberi e vincolati. Equazioni differenziali: problema di Cauchy; equazioni differenziali del 1° ordine a variabili separabili; equazioni lineari del 1° e del 2° ordine a coefficienti costanti. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: integrali definiti dipendenti da un parametro; calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive; cambiamento di variabile negli integrali doppi, applicazioni.