• 081272 - INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI B

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).

Modalità di erogazione del corso, nell'ambito dei progetti di didattica innovativa:

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).

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 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 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). Cristalli e diffrazione di raggi X.

2. Proprietà fisiche dei materiali:

(a) 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.

(b) 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.

Il corso 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.

• La prova scritta relativa alla parte B sarà effettuata 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.

Il processo di apprendimento relativo al modulo B potrà inoltre essere verificato sulla base di elaborati su temi assegnati e sulla soluzione di problemi e quesiti numerici proposti di volta in volta per l’attività in aula. Queste forme di valutazione, se effettuate, concorreranno alla formazione del voto finale, relativo al modulo B.