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)

A partire dagli insegnamenti impartiti nel modulo A relativi alla struttura elettronica e molecolare, si discuteranno i modelli che permettono di descrivere in modo analitico e quantitativo le interazioni interatomiche, intramolecolari ed intermolecolari che entrano in gioco nei diversi materiali e le proprietà che ne derivano. Saranno approfondite le relazioni tra struttura e proprietà fisiche dei materiali.  In particolare, verranno forniti strumenti di fisica dei materiali per comprenderne alcune caratteristiche strutturali, meccaniche, elettriche, ottiche, e saranno presentate le basi di alcune tecniche di caratterizzazione dei materiali (spettroscopia infrarossa). (Parte B)

Lo studente ha una buona conoscenza generale della 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. Ha anche qualche nozione sulla microstruttura dei materiali cristallini o amorfi e le loro temperature caratteristiche e su alcuni materiali innovativi. Ha anche alcune conoscenze di chimica organica rilevanti per i materiali polimerici.

Al termine del corso, l'allievo comprenderà e saprà come applicare gli strumenti matematico/fisici che sono stati acquisiti dai i corsi di base di Fisica Generale ed Analisi Matematica al fine di comprendere e seguire criticamente la costruzione dei modelli utili per lo studio dei materiali. In particolare dovrà essere in grado di comprendere la derivazione di alcune equazioni e il loro uso per la descrizione di fenomeni alla base della fisica molecolare e dei materiali.

Il Corso si propone di fornire il linguaggio e gli schemi interpretativi che consentono la corretta descrizione delle caratteristiche strutturali dei materiali e l'individuazione dei parametri rilevanti ai fini della descrizione di fenomeni e di proprietà.

Obbiettivo fondamentale della parte B è la conoscenza e la comprensione di concetti di base nella scienza dei materiali quali: conformazione molecolare, bande di energia elettroniche, trasporto di carica e proprietà ottiche. 

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. Elementi di simmetrie molecolari ed operazioni di simmetria. 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: sistemi cristallografici e reticoli di Bravais. Simmetria traslazionale e sua descrizione. Direzioni e piani cristallografici (indici di Miller). Introduzione alla diffrattometria X (Legge di Bragg) e sua applicazione. 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.

Parte B

1. Descrizione "modellistica" delle interazioni intra e inter-molecolari.

Modelli di potenziali empirici per descrivere legami covalenti e ionici. Interazioni intermolecolari deboli (potenziale di Lennard-Jones). Potenziali per lo studio delle interazioni nelle molecole poliatomiche. Principi della meccanica molecolare: struttura e dinamica di molecole poliatomiche. Potenziali "ionici" nei cristalli ionici (Potenziale di Madelung) e potenziale di Lennard-Jones nei solidi molecolari (solidi di Van der Waals). Potenziali intramolecolari e moti vibrazionali di molecole e solidi (cenni di spettroscopia IR).

2. Proprietà fisiche dei materiali:

• Proprietà elettriche. Trasporto di elettroni (struttura elettronica, caratteristiche delle bande elettroniche di materiali isolanti, semiconduttori, metalli); controllo della conducibilità elettrica nei semiconduttori.  Materiali dielettrici e piezoelettrici.
• Proprietà ottiche. Interazione radiazione-materia e descrizione dei fenomeni associati: emissione, assorbimento, luminescenza, diffusione della luce. Comportamento ottico: materiali trasparenti, riflettenti, assorbenti. Costante dielettrica e indice di rifrazione: modelli di Lorentz e Drude.

Lo studente deve avere 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).

 Il corso (Parte B) è fortemente improntato alla modellizzazione dei fenomeni alla base della fisica molecolare e dei materiali solidi. I modelli considerati sono di tipo semiempirico e mutuano dai corsi di chimica generale e di introduzione alla scienza dei materiali (Parte A) alcuni concetti, derivati dalla trattazione quantistica della materia, quali il concetto di orbitale atomico e molecolare, densità di probabilità e distribuzione di carica associata.

E' di fondamentale importanza la conoscenza della fisica generale.  In particolare è necessaria la conoscenza delle forze di tipo elettrostatico tra particelle cariche, la nozione di distribuzione di carica e delle leggi che descrivono i fenomeni di trasporto di carica (legge di Ohm macroscopica e microscopica). Si presuppone la conoscenza della relazione tra forza e energia potenziale, la capacità di definire appropriati sistemi di coordinate che permettono di descrivere l'evoluzione temporale e le architetture di equilibrio di un sistema a più corpi.

• Alla fine del primo emi-semestre, ci sarà una prova scritta indicativamente della durata di 2 ore con domande aperte, unicamente sulla parte A.
• 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. E' obbligatoria l'iscrizione a ciascun appello d'esame.
• Allievi di Ing. Materiali: ci sarà una seconda prova scritta, sulla parte B, alla fine del secondo emi-semestre (fine giugno-primi luglio). Nella stessa data è prevista la possibilità di sostenere anche (o in alternativa) la prova sulla parte A, nel caso non fosse stata effettuata o superata in precedenza. 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 nella seconda metà di luglio, a settembre o a febbraio.
• 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.

Slides utilizzate come supporto alle lezioni - Slides con approfondimenti o riassunto di alcuni argomenti trattati in classe