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)

Il modulo B del corso di Introduzione alla Scienza dei Materiali, tratta di modelli, esemplificazioni numeriche e approfondimenti teorici di alcuni argomenti del modulo A e quindi si presta ad una didattica interattiva.

Il Corso di 5 crediti, si svolge nel secondo emisemestre del secondo semestre. Lo schema che verrà adottato prevede: 2 ore lezione teorica frontale; 2 ore di lezione con la partecipazione attiva degli studenti; 4 ore di lavoro d’aula (esercitazioni/seminari) in cui gli studenti riporteranno quanto da loro appreso tramite relazioni sugli argomenti di approfondimento e/o discutendo la soluzione di problemi precedentemente proposti. Parte del tempo sarà anche dedicata allo svolgimento di esercizi numerici lavorando in gruppi. Il lavoro nei gruppi ha lo scopo di stimolare la partecipazione attiva, favorire lo scambio di idee e la collaborazione fra studenti.

Le lezioni frontali saranno dedicate alla spiegazione dei concetti teorici alla base del corso e forniranno gli elementi necessari per il lavoro autonomo dello studente volto all’approfondimento di aspetti più applicati e allo svolgimento di esercizi numerici. Verranno forniti tutti i supporti necessari per l’autoapprendimento (testi, eventuali video, slides).

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. (Parte A)

Al termine del corso, l'allievo comprenderà e saprà come applicare gli strumenti matematico/fisici che sono stati acquisiti dai 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 (4 ore)

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

2. Legame chimico (10 ore)

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 (4 ore)

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

4. Struttura e nomenclatura composti organici (8 ore)

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 (10 ore)

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 (8 ore)

Materiali ceramici ionici e covalenti. Solidi amorfi: vetri inorganici. Metalli. Processi metallurgici ed elettrochimici, diagramma di Ellingham. Materiali polimerici cristallini, amorfi e semicristallini. Gomme. Materiali compositi.

7. Struttura e legame chimico in materiali avanzati e per applicazioni speciali (6 ore)

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 unicamente sulla parte A indicativamente della durata di 2 ore con domande aperte, volte ad accertare la capacità di scrittura tecnico-scientifica dal punto di vista sia analitico (riconoscere le proprietà di un materiale in base alla sua struttura chimica) sia sintetico (descrivere le proprietà fisiche e chimiche delle varie classi di materiali).
  • 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 a 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