• 081271 - INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI A

Partendo dalla descrizione della struttura atomica e delle proprietà periodiche degli elementi, si descriverà il legame chimico presente nelle diverse classi di materiali (solidi ionici, molecolari, covalenti e metallici).  Si discuteranno poi le forze intermolecolari per descrivere i solidi cristallini ed amorfi, e quindi i passaggi di stato in alcuni materiali molecolari o metallici.  Si mostrerà quindi come le proprietà generali delle varie classi di materiali tradizionali o avanzati possono essere spiegate tramite la struttura chimica. Infine, nelle esercitazioni si useranno questi concetti per descrivere classi particolari di materiali innovativi. (Parte A)

Al termine dell'insegnamento, lo studente conoscerà e comprenderà la struttura atomico-molecolare delle varie classi di materiali in base al legame chimico e alle forze intermolecolari e le può usare per razionalizzare le loro principali proprietà fisico-meccaniche. Avrà anche acquisito nozioni sulla microstruttura dei materiali cristallini o amorfi e le loro temperature caratteristiche e su alcuni materiali innovativi, e conoscenze di base di chimica organica rilevanti per i materiali polimerici.  Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze sopra descritte nella soluzioni di esercizi di carattere chimico e numerico (Parte A)

Parte A

1. Struttura atomica

Riepilogo su funzioni d’onda, orbitali atomici, Aufbau degli elementi e configurazioni elettroniche, tavola periodica e proprietà periodiche.

2. Legame chimico

Legame ionico. Legame covalente, strutture di Lewis. Geometria molecolare, teoria VSEPR. Elettronegatività. Orbitali molecolari s e p, orbitali ibridi. Orbitali leganti e antileganti, orbitali delocalizzati. Legame metallico. Semiconduttori e loro drogaggio.

3. Forze intermolecolari e stati di aggregazione

Gas reali. Interazioni dipolari e di van der Waals, legame a idrogeno. Liquidi e solidi.

4. Struttura e nomenclatura composti organici

Idrocarburi: alcani, alcheni, alchini. Alogenoalcani. Stereochimica e configurazione assoluta di centri chirali. Alcoli, eteri. Nucleofili ed elettrofili, reattività chimica e alcuni meccanismi di reazione, sostituzioni nucleofile (S_N1, S_N2). Tioli, solfuri, disolfuri. Aldeidi e chetoni. Carboidrati. Acidi carbossilici, esteri e lipidi, ammidi. Nitrili. Ammine. Amminoacidi, proteine. Sistemi aromatici.

5. Solidi e diagrammi di stato

Solidi cristallini: cenni a sistemi cristallografici e reticoli di Bravais. Solidi amorfi inorganici e polimerici. Transizione vetrosa. Un cenno su altri «stati di aggregazione» (soft matter): emulsioni, colloidi, gel. Diagrammi di stato a un componente. Soluzioni ideali e non ideali, legge di Raoult. Diagrammi di stato a due componenti: azeotropi ed eutettici.

6. Struttura e legame chimico in materiali ceramici, metallici e polimerici

Materiali ceramici ionici e covalenti. Solidi amorfi: vetri inorganici. Metalli. Processi metallurgici ed elettrochimici, diagramma di Ellingham. Materiali polimerici cristallini, amorfi e semicristallini. Polimeri allo stato solido e liquido e in soluzione. Gomme. Materiali compositi.

7. Struttura e legame chimico in materiali avanzati e per applicazioni speciali

Polimeri conduttori. Conduttori organici e materiali per l’elettronica. Cristalli liquidi. Biomateriali polimerici, metallici e ceramici.

  Allo studente è richiesta una buona conoscenza dei fondamenti chimici della struttura atomica e molecolare erogati al primo semestre e dei concetti energetici (entalpia, entropia) associati alle trasformazioni chimiche (Parte A).

Alla fine del primo emi-semestre, ci sarà una prova scritta riguardante il modulo A della durata di 2 ore con 6 domande, nel periodo 28 aprile - 9 maggio.

Allievi di Ing. Biomedica: questa prova è il primo appello, e può far superare direttamente l'esame, previo un breve colloquio orale. Altri appelli d'esame saranno tenuti a fine giugno (preappello), luglio, settembre e febbraio.

Allievi di Ing. dei Materiali: ci sarà una seconda prova scritta sulla parte B alla fine del secondo emi-semestre (fine giugno-primi luglio). Se gli esiti delle due prove non sono entrambi sufficienti, è obbligatoria la prova di recupero sulla parte insufficiente. Questa prova di recupero (appello d'esame) si svolgerà a luglio, a settembre o a febbraio.

Chi non avesse sostenuto o superato la prima prova scritta (parte A) può sostenere il recupero in alternativa alla seconda prova scritta sulla parte B (che andrà sostenuta in un appello successivo).

Durante gli appelli si può sostenere il recupero della prova sulla parte insufficiente, oppure l'esame completo (parte A + parte B, della durata complessiva di 4 ore) se non si è sostenuta alcuna prova.