L’identificazione strutturale di una sostanza chimica passa attraverso molte metodologie spettroscopiche. Tra le molte spettroscopie disponibili, la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) occupa un posto di primo piano per la quantità e qualità di informazioni strutturali e dinamiche cui permette di accedere. Scopo di questo corso è l’alfabetizzazione dei futuri ingegneri ai principi e alla pratica dei metodi di indagine basati su NMR e l’uso delle informazioni così ottenute per dare una base molecolare alle proprietà dei materiali.

Il corso è strutturato in lezioni frontali ed esercitazioni su processing di dati NMR, lettura di spettri, correlazioni spettro-struttura e viceversa. Nella parte teorica si gettano le basi fisiche per la comprensione razionale dell’origine del segnale NMR e della sua correlazione con la struttura molecolare. Si introduce quindi un formalismo moderno basato sugli operatori di spin per una semplice e razionale comprensione degli esperimenti mono- e bidimensionali. La teoria è affiancata ad una numerosa casistica di applicazione a problemi reali. Gli studenti saranno messi nelle condizioni di utilizzare software professionale per l’elaborazione spettrale.

Alla fine e del corso e dopo il superamento dell'esame, lo studente:

• conosce i principi di base della spettroscopia NMR, l’origine del segnale e la descrizione fenomenologica basata sul vettore magnetizzazione macroscopica
• conosce i principali fattori che portano allo “spostamento chimico” e alle costanti d’accoppiamento di spin
• conosce alcuni importanti  principi che correlano la posizione e la molteplicità del segnale NMR con la struttura molecolare
• è in grado di fare alcune semplici assegnazioni spettrali, sia passando dallo spettro alla struttura molecolare, sia simulando un possibile spettro a partire da una data struttura molecolare
• riesce a elaborare il dato grezzo ottenendo lo spettro NMR sia in una che in due dimensioni
• conosce i rudimenti della trattazione quantistica basata sugli operatori prodotto

1: Teoria di base. Lo spin nucleare, il suo orientamento in campo magnetico, i livelli energetici relativi, la precessione di Larmor, la magnetizzazione macroscopica, i fenomeni di rilassamento nucleare. Come perturbare la magnetizzazione macroscopica con un impulso a radiofrequenza. Il free induction decay e lo spettro NMR. Parametri generali dello spettro: acquisizione del segnale e processing dei dati. La metodologia per la determinazione delle strutture molecolari: correlazioni tra posizione del segnale, molteplicità del segnale e architettura molecolare. Cenni sulla trattazione quantomeccanica basata sugli operatori prodotto.

2: Applicazioni. Come usare lo spettro NMR per risolvere una struttura molecolare incognita. Esempi di problemi tratti dalla chimica organica e dei polimeri. Utilizzo del software di elaborazione dei dati: cammino completa dal segnale grezzo allo spettro mono- e bidimensionale.

Non ci sono prerequisiti in senso stretto. E' auspicabile che gli iscritti al corso abbiano almeno frequentato i corsi di Chimica e di Fisica di base.

La preparazione dello studente sarà valutata con due prove in itinere scritte. La prima prova verte su un questionario sui concetti di base e sulla comprensione dei parametri spettrali, sulla falsariga di quanto illustrato da docente ed esercitatori. Saranno anche presenti alcuni semplici spettri e relativi quesiti sulla loro interpretazione. Nella seconda prova scritta si presenteranno alcuni spettri e alcune ipotesi di struttura molecolare, chiedendo allo studente di usare tutte le informazioni per risolvere un semplice problema strutturale. La valutazione finale è la media delle due prove scritte. Nel caso lo studente non superasse la prima prova, viene comunque ammesso alla seconda prova e gli offre la possibilità di recuperare anche la prima parte (può concludere con il 1° appello). Si valuterà l’opportunità di effettuare un eventuale orale in casi particolari