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.

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. Come la velocità di raffreddamento influenza la struttura finale del materiale (influenza sui punti critici) Curve TTT e CCT. Trattamenti termici massivi: Ricottura, normalizzazione, Bonifica, particolare attenzione sarà data alla tempra con cenni alle curve Jominy e al rinvenimento. Atmosfere controllate, Cementazione e nitrurazione. Acciai per usi specifici (Bonifica, cementazione, per cuscinetti, Acciai per utensili, acciai inossidabili). Le ghise: grigie da getto, sferoidali. Alluminio: leghe da fonderia e da deformazione plastica, teoria dell’invecchiamento. Breve cenno sulle leghe Mg, Ti, Ni (leghe refrattarie).

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.

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 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.

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)

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.

Le origini della meccanica quantistica. Effetto fotoelettrico. Ipotesi di de Broglie. Equazione di Schroedinger. Stati stazionari. Pacchetti d'onda. Sistemi unidimensionali: particella in scatola, barriere e buche di potenziale, effetto tunnel, oscillatore armonico. Il formalismo della meccanica quantistica: vettori in uno spazio di Hilbert, osservabili fisiche, equazioni agli autovalori. Commutatori. Misure. Relazioni di indeterminazione. Momento angolare. Armoniche sferiche. Problema dei due corpi. Atomo di idrogeno.

Le origini della meccanica quantistica. Effetto fotoelettrico. Ipotesi di de Broglie. Equazione di Schroedinger. Stati stazionari. Pacchetti d'onda. Sistemi unidimensionali: particella in scatola, barriere e buche di potenziale, effetto tunnel, oscillatore armonico. Il formalismo della meccanica quantistica: vettori in uno spazio di Hilbert, osservabili fisiche, equazioni agli autovalori. Commutatori. Misure. Relazioni di indeterminazione. Momento angolare. Armoniche sferiche. Problema dei due corpi. Atomo di idrogeno.

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.

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. Cenni sui metaboliti secondari.

Legame covalente e forma delle molecole. Ibridazione ed angoli di legame. Molecole polari e non polari. Risonanza. Alcani e cicloalcani. Struttura degli alcani. Isomeria costituzionale. Nomenclatura IUPAC. Gruppi funzionali. Metodi di nomenclatura e priorità dei gruppi funzionali. Isomeria conformazionale di alcani e cicloalcani. Isomeria geometrica nei cicloalcani. Isomeria geometrica negli alcheni, il sistema E/Z. Chiralità. Stereoisomeria. Chiralità. Designazione degli stereocentri-il sistema R,S. Molecole acicliche con due o più stereocentri. Molecole cicliche con due o più stereocentri. Proprietà degli stereoisomeri. Separazione di enantiomeri: risoluzione. Risonanza e delocalizzazione elettronica. Reattività. Carbocationi e carbanioni. Effetto induttivo ed effetto mesomero. Nucleofili ed elettrofili. Radicali e reazioni radicaliche. Acidi e basi di Bronsted e di Lewis. Misura quantitativa della forza di acidi e basi. Stabilizzazione della base coniugata. Struttura molecolare ed acidità. Posizione dell'equilibrio in reazioni acido-base. Reazione di alcani e alcheni. Meccanismi di reazione e profili di energia. Reazioni di addizione elettrofila. Ossidazione degli alcheni- formazione di glicoli. Riduzione degli alcheni. Reazioni che producono composti chirali. Alchini. Reazioni di addizione di alogeni, di idratazione e di idrogenazione. I composti organici alogenati. Le reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Fattori che influenzano le velocità delle reazioni SN1 e SN2. Analisi di varie reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Reazioni di eliminazione E1 ed E2. Competizione fra reazioni di sostituzione ed eliminazione. Alcoli, eteri e tioli. Proprietà fisiche. Preparazione e reattività degli alcoli. Ossidazione di alcoli. Reazioni degli eteri. Epossidi. Apertura d'anello degli epossidi catalizzata da acidi o da basi. I composti aromatici. Struttura del benzene. Concetto di aromaticità. Sostituzione elettrofila aromatica. Ossidazione in posizione benzilica. Disostituzione. Fenoli. Aldeidi e chetoni. Struttura e reattività del gruppo carbonilico. Addizione di nucleofili con centro reattivo sul carbonio, sull'ossigeno, o sull'azoto. Meccanismi di reazione. Ossidazione. Riduzione. Tautomeria cheto-enolica. Gli acidi carbossilici e i loro derivati. Struttura e acidità. Riduzione. Esterificazione. Conversione in alogenuri acilici. Reazione con ammine. Idrolisi dei derivati funzionali. Interconversione dei derivati funzionali. Ammine ed altri composti azotati. Struttura e basicità. Preparazione e reattività. Carboidrati. Monosaccaridi. La struttura ciclica dei monosaccaridi. Reazioni dei monosaccaridi. Disaccaridi ed oligosaccaridi. Polisaccaridi. Lipidi. Trigliceridi. Saponi e detergenti. Steroidi. Fosfolipidi. Amminoacidi, peptidi e proteine. Proprietà acido-base degli amminoacidi. Struttura primaria di polipeptidi e proteine. Forme tridimensionali di polipeptidi e proteine. Cenni sulla struttura di nucleotidi e di acidi nucleici.