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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 060116 - SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
Docente Castiglioni Chiara
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (366) INGEGNERIA FISICA*AZZZZ060116 - SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Obiettivi dell'insegnamento

Questo corso vuole fornire le conoscenze di base e i criteri che permettono di stabilire le relazioni tra la struttura dei materiali a livello atomico/molecolare (struttura elettronica, natura e caratteristiche dei legami chimici e loro disposizione, struttura cristallina, difetti chimici e o strutturali…) e a livello di morfologia (presenza di diverse fasi e loro organizzazione) e le proprietà fisiche dei materiali.  A conclusione del Corso lo studente dovrà avere acquisito le competenze utili a comprenderne, a livello “microstrutturale” la diversità di comportamento dei diversi materiali.

 


Risultati di apprendimento attesi

D.D. 1. Conoscenza e comprensione: L'allievo dovrà conoscere gli aspetti fondamentali della trattazione quantistica del problema molecolare.  L'allievo dovrà avere acquisito gli strumenti per comprendere l'origine del potenziale intramolecolare e le tecniche di modellazione del potenziale (potenziali empirici) per molecole poliatomiche e sistemi cristallini caratterizzati da legami di diverso tipo.  Dovrà padroneggiare i fondamenti delle tecniche di spettroscopia molecolare e conoscere la derivazione quantistica delle osservabili spettroscopiche. Acquisirà competenze relativamente alla struttura elettronica delle molecole e materiali e conoscerà alcuni aspetti fondamentali della teoria delle bande elettroniche per i materiali solidi cristallini.

D.D.3. Autonomia di giudizio: L'allievo sarà messo in grado di individuare i modelli più appropriati e le approssimazioni che consentono di affrontare il problema elettronico di una molecola poliatomica, in relazione alle proprietà/osservabili di interesse. In particolare dovrà utilizzare in modo appropriato concetti quali funzione d'onda molecolare e orbitali molecolari e dovrà conoscere gli ambiti e i limiti di applicazione degli approcci semiempirici (metodi tight-binding e in particolare la teoria di Hueckel) e ab-initio.   

L'allievo sarà in grado di giudicare le caratteristiche di simmetria di strutture molecolari relativamente complesse, di assegnare il corretto gruppo di simmetria puntuale e applicare la teoria dei gruppi per la soluzione di alcuni problemi di fisica molecolare e la derivazione di regole di selezione per la spettroscopia vibrazionale.

D.D.5. Capacità di apprendimento: la capacità di apprendimento sarà potenziata grazie alle attività proposte durante le esercitazioni, consistenti nella discussione e svolgimento di problemi relativamente complessi riguardanti la fisica molecolare e dei materiali.  Ci si aspetta che l'allievo sviluppi gli strumenti matematico-fisici per la risoluzione di analoghi esercizi, che verranno proposti nella prova di esame.

  

 


Argomenti trattati

Il Corso si articola in due grandi capitoli:

I.Fondamenti di Fisica Molecolare

II.Dalle molecole ai materiali solidi: struttura e proprietà dei materiali.

    Materiali molecolari e polimerici.

 

I . Fondamenti di Fisica Molecolare  Questa parte del Corso è volta a completare le competenze degli allievi (acquisite nel precedente Corso di Fondamenti di Struttura della Materia) relative alla struttura e alla fisica atomica. Verrà presentato nelle sue linee essenziali il problema della soluzione dell’equazione di Schroedinger molecolare (Approssimazione di Born-Oppenheimer: equazioni per gli elettroni e per i nuclei; potenziale intramolecolare) per giungere,  da una parte,  a definire Orbitali Molecolari e funzioni d’onda elettroniche e dall’altra a descrivere la struttura molecolare in termini di disposizionenello spazio dei nuclei e loro moti. Questa discussione permetterà:

-         di presentare nelle linee essenziali le spettroscopie molecolari (spettri vibrazionali Infrarossi e Raman, spettroscopia elettronica di assorbimento/emissione).

-         di discutere l’origine del legame chimico e le sue caratteristiche specifiche al variare degli elementi coinvolti. Legami intramolecolari:  legame covalente, ionico, metallico;  Legami deboli : ponti a idrogeno, interazioni Van der Waals.

 

Alcune lezioni saranno dedicate allo studio della simmetria di molecole e alla messa a punto di alcuni strumenti della teoria dei gruppi.

 

 

Sulla base delle conoscenze messe a punto nella parte I , verrà affrontato lo studio dei materiali solidi  secondo il seguente schema:

 

II. Dalle molecole ai materiali solidi: struttura e proprietà dei materiali

 

  1. Caratteristiche dei legami chimici nei materiali. a.  Solidi Van der Waals, solidi ionici, covalenti, metallici.   (Interazioni e energia potenziale del cristallo: modelli di semplici potenziali empirici). b. Definizione delle diverse “classi” di materiali sulla base della natura dei legami chimici. Effetti delle caratteristiche dei legami chimici sulle proprietà.  
  2. Caratterizzazione dei materiali attraverso le tecniche spettroscopiche (Spettroscopia Infrarossa e Raman, Spettroscopia elettronica di assorbimento/emissione) apprese nella prima parte del corso. 
  3.  Proprietà fisiche dei materiali: L’esame delle proprietà fisiche dei materiali sarà condotto mirando a stabilire relazioni con le caratteristiche della struttura molecolare ed elettronica di materiali appartenenti a diverse classi. Saranno trattate: A. Proprietà elettriche:  a1. Struttura elettronica e conseguenze, cenni alla teoria delle bande a partire dalla teoria degli orbitali molecolari: classificazione materiali isolanti, semiconduttori, metalli;    B. Proprietà ottiche: Materiali trasparenti, riflettenti e assorbenti.
  4. Materiali molecolari:  Polimeri, loro  caratteristiche strutturali e proprietà. Polimeri strutturali e funzionali.  

Durante le Esercitazioni verranno svolti esercizi su tutti gli argomenti trattati a lezione.

 

 

Attività di laboratorio: Sono previste  visite al laboratorio di spettroscopia molecolare del gruppo di ricerca FuNMat del Dipartimento di Chimica Materiali e Ingegneria Chimica Giulio Natta. 


Prerequisiti

Sono prerequisiti le competenze acquisite nei corsi di Chimica, Fisica Sperimentale, Analisi Matematica, Fondamenti di Meccanica Quantistica, Fondamenti di Struttura della Materia.


Modalità di valutazione

Una Prova scritta (al termine del corso) comprendente:

- due esercizi, che richiedono la scelta del modello fisico più appropriato e l'esecuzione di calcoli numerici. (D.D.1 e D.D.5); gli esercizi spesso richedono l'analisi di alcuni aspetti legati alla simmetria (D.D.3) 

- una domanda teorica consistente in una discussione guidata attraverso quesiti a risposta aperta, su specifici argomenti trattati durante il Corso (D.D.1 e D.D.3)

 

 La prova scritta, se superata con la sufficienza, potrà essere integrata con una prova orale, opzionale (dietro richiesta dello studente).


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaPeter Atkins and Julio de Paula, Atkins' Physical Chemistry, Editore: Oxford University Press; 8th Revised edition edition, Anno edizione: 2006, ISBN: 0199543372
Note:

E' consigliato lo studio di alcuni capitoli relativa alla struttura molecolare (teoria deglio orbitali molecolari) e alla spettroscopia molecolare.

Risorsa bibliografica facoltativaDonald R. Askeland , Pradeep P. Fulay , Wendelin J. Wright, The Science and Engineering of Materials, Editore: Cengage Learning; 0006 edizione, Anno edizione: 2010, ISBN: 0495296023
Note:

Manuale di Scienza e Ingegneria dei Materiali, utile per una panoramica ampia e generale sulle proprietà dei materiali e tecnologie

Risorsa bibliografica facoltativaDaniel C. Harris, Michael D. Bertolucci, Symmetry and Spectroscopy: An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy , Editore: Dover (Dover Books on Chemistry), Anno edizione: 1989, ISBN: 048666144X
Note:

Informal, effective undergraduate-level text introduces vibrational and electronic spectroscopy, presenting applications of group theory to the interpretation of UV, visible, and infrared spectra without assuming a high level of background knowledge.

Risorsa bibliografica obbligatoriaMateriale didattico fornito dal docente https://beep.metid.polimi.it

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
20/01/2020