Materials Science and Nanotechnology

Gli obiettivi di questo corso sono: 1) conoscenza e capacità di comprensione: fornire competenze in alcune aree chiave della fisica dello stato solido, come la modellizzazione dei materiali e i fenomeni quantistici nella fisica della materia condensata "dura"; 2) conoscenze e capacità di comprensione applicate: fornire strumenti adeguati per analizzare fenomeni complessi da un punto di vista fondamentale, attraverso la comprensione microscopica e simulazioni ab initio; 3) autonomia di giudizio: aiutare gli studenti a sviluppare un pensiero critico nell’analisi delle proprietà dei materiali, ad esempio sulla base dei risultati di simulazioni; 4) abilità comunicative: supportare gli studenti nell’apprendimento delle modalità di interazione con professionisti accademici e ricercatori nel campo della fisica dello stato solido, mediante l’uso di un linguaggio tecnico-scientifico adeguato, strumenti di presentazione e competenze correlate; 5) capacità di apprendere: sviluppare competenze scientifiche e computazionali che permettano agli studenti di analizzare criticamente la letteratura scientifica e di confrontarsi con i temi emergenti della fisica dello stato solido.

Il problema a molti elettroni• Dal sistema a molti elettroni alle teorie di campo medio: le equazioni di Hartree• Le equazioni di Hartree-Fock e contributo energetico di scambio• Il gas di elettroni omogeneo• Fondamenti della teoria del funzionale densità: i teoremi di Hohenberg e Kohn• Equazioni di Kohn-Sham• Potenziale di scambio e correlazione e approssimazione di densità locale• Pseudopotenziali Teoria del funzionale densità (DFT) in pratica:• Cosa può prevedere la DFT? Esempi di rilevanti proprietà dei materiali ottenute ab-initio• Ci fidiamo della DFT? Precisione e accuratezza• Dove fallisce la DFT? Come superare i problemi? Simulazioni di DFT (I): Proprietà strutturali ed elettroniche del semiconduttore GaAs in fase zincoblenda• Comandi basilari in ambiente Linux.• Spiegazione delle flag e delle informazioni contenute nei file di input e output dei codici DFT.• Prima simulazione di un ciclo autoconsistente per GaAs.• Test di convergenza in funzione della griglia di punti k nella zona di Brillouin e soglia energetica per lo sviluppo in onde piane.• Calcolo della costante reticolare di equilibrio del GaAs e confronto con gli esperimenti.• Calcoli della struttura a bande (I): costruzione del percorso di punti k nello spazio reciproco lungo linee ad alta simmetria, simulazione non autoconsistente della struttura a bande per GaAs e utilizzo dei relativi strumenti di visualizzazione.• Stima del band-gap del DFT.• Densità di stati (DOS): simulazione non autoconsistente per GaAs di DOS totali e DOS proiettati su atomi e orbitali. Proprietà magnetiche dei solidi• Introduzione a Ferro-/Antiferro-/Para-magnetismo• Modello di Stoner per il ferromagnetismo di banda nei solidi metallici• Il ferromagnetismo nei solidi isolanti e l'hamiltoniana di Heisenberg• Antiferromagnetismo e scattering di neutroni• Anisotropia magnetica• Stati magnetici eccitati: onde di spin• domini magnetici Simulazioni di DFT (II): Sistemi magnetici.• Previsioni DFT per proprietà magnetiche: panoramica della letteratura• Simulazioni DFT per solidi magnetici elementari.• Utilizzo del criterio di Stoner per prevedere la comparsa del magnetismo: confronto di Ni-fcc con e senza polarizzazione di spin.• DFT per magneti 2D: i) Ordinamento magnetico a lungo raggio (incluso antiferromagnetismo) e stima da principi primi dei parametri di scambio in Hamiltoniane di spin; i) Accoppiamento spin-orbita ed energia di anisotropia magnetica. Superconduttività• Introduzione alla superconduttività: esperimento di Onnes, effetto Meissner ed effetto isotopico• Le equazioni di London e London: penetrazione delle correnti e dei campi magnetici• La termodinamica della fase superconduttiva• Coppie di Cooper• Introduzione alla teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).• Esistenza del gap, sua natura e stati eccitati nella teoria BCS• Introduzione alla teoria di Ginzburg-Landau: lunghezza di coerenza e lunghezza di penetrazione• Superconduttori di tipo II e formazione di vortici• Superconduttori ad alta Tc

Esame orale con tre domande aperte, riferite alle diverse parti del programma. Breve presentazione orale incentrata sui risultati ottenuti durante una delle sessioni pratiche di DFT. Il voto riflette una media delle tre risposte e della discussione dei risultati ottenuti nelle simulazioni. Non verranno svolte prove in-itinere.

Tutto il materiale didattico strettamente necessario all'esame è caricato sotto forma di presentazioni .pdf delle lezioni sulla pagina e-learning del Corso TESTI PRINCIPALI• F. GIUSTINO, Materials Modelling using Density Functional Theory, Oxford University Press• N.A. SPALDIN, Magnetic Materials, Cambridge University Press• C.A. KITTEL, Introduction to Solid State Physics, Wiley TESTI ADDIZIONALI• R. M. MARTIN, Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Press• R. TURTON, The Physics of Solids, Oxford University Press• S. BLUNDELL, Magnetism in Condensed Matter, Oxford University Press.• H. IBACH AND H. LUTH, Solids State Physics, Fourth Edition, Springer Verlag

La rilevazione di radiazioni ionizzanti come i raggi X, raggi γ, le particelle α e i neutroni è ampiamente applicata in molte aree industriali, come quelle mediche, ambientali, aerospaziali….Partendo da una panoramica dell'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, che evidenzia la dipendenza dall'energia e dal tipo di materiale bersaglio, il corso fornisce i concetti di base della fisica nucleare e della dosimetria. In quanto tali, rappresentano il fondamento comune ed essenziale per evidenziare i requisiti delle proprietà dei materiali per la rivelazione ad alte prestazioni delle radiazioni ionizzanti. Inoltre, il corso prepara gli studenti ad applicare le conoscenze teoriche acquisite alla risoluzione di problemi reali. Al termine del corso, lo studente conosce le leggi fondamentali che governano l'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, nonché il loro significato e ambito di applicazione (Conoscenza e comprensione). Inoltre, lo studente è in grado di applicare le conoscenze acquisite nella modellazione, analisi e soluzione di problemi pratici incontrati nelle sessioni sperimentali (Conoscenza e comprensione applicate) ed è in grado di identificare il metodo più adatto per affrontare diverse tipologie di problemi (Autonomia di giudizio). Durante il corso, lo studente acquisisce anche un linguaggio scientifico adeguato che gli consente di comunicare i concetti appresi in modo rigoroso e appropriato (Abilità comunicative). Infine, al termine del corso, lo studente riconosce l'importanza di una descrizione quantitativa e rigorosa delle grandezze fisiche e della descrizione formale delle loro relazioni, acquisendo così un approccio scientifico essenziale per lo studio di alcune applicazioni basate sui meccanismi tra radiazioni ionizzanti e materiali (Capacità di apprendimento).

Argomenti importanti sono: sezioni d'urto di interazione (classica),; meccanismi di interazione di fotoni, neutroni e particelle cariche; fondamenti di dosimetria, difetti indotti dalla radiazione; Tecniche sperimentali per lo studio degli effetti dell'interazione radiazione-materia sulle proprietà fisiche dei materiali con particolare attenzione ai semiconduttori e agli scintillatori, che rappresentano le due principali classi di materiali rivelatori di radiazione di interesse; Rivelatori di radiazioni ionizzanti, proprietà e caratteristiche fondamentali degli scintillatori, dosimetri.Gli studenti durante il corso frequenteranno laboratori di ricerca dove potranno svolgere attività sperimentali riguardanti le tecniche di luminescenza applicate nel campo della dosimetria e la tecnica di fluorescenza a raggi X applicata nella caratterizzazione dei materiali.

L'esame si svolge tramite:•Una discussione sugli argomenti trattati durante le lezioni;• una discussione sull'attività sperimentale svolta in laboratorio, anche sulla base della relazione scritta.• una breve presentazione di un argomento a scelta da parte dello studente. Si valuta il livello di apprendimento, la capacità critica e di comunicazione dello studente. Non ci saranno prove in itinere.

Slides e parti di testo selezionate dal docente

Lo studente dovrà acquisire i fondamenti teorici, concettuali e metodologici sugli aspetti fondamentali e le applicazioni della catalisi, con particolare enfasi nell’ambito energetico ed ambientale. Conoscenze e capacità di comprensione Al termine del corso lo studente conoscerà: - i principi fondamentali della catalisi omogenea ed eterogenea; - i principi fondamentali della fotocatalisi e dell’elettrocatalisi; - i metodi per preparare i catalizzatori omogenei and eterogenei; - i metodi per caratterizzare l’attività catalitica e selettività catalitica; - i metodi per determinare i meccanismi di reazione, con misure cinetiche e con spettroscopie specifiche; - le principali applicazioni della catalisi nel campo dell’energia, dell’industria chimica, della biochimica, dell’ambiente, ecc. - le principali aree di ricerca nell’ambito della catalisi per applicazioni ambientali e energetiche e le relative criticità. Conoscenza e capacità di comprensione applicate Al termine del corso lo studente è in grado di: - riconoscere il valore aggiunto della catalisi e della sua importanza per accelerare le reazioni chimiche, scegliere le tecniche di caratterizzazione più adatte, individuare gli step limitanti la reazione e come progettare un catalizzatore per accelerarli; - valutare il tipo di catalisi più adatto per una data reazione chimica ed individuare le metodologie di progettazione più idonee. L’obbiettivo finale del corso è rendere lo studente in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti chimici della catalisi. Autonomia di giudizio Al termine del corso lo studente è in grado di: - Riconoscere le potenzialità della catalisi nell’industria chimica, energetica ed ambientale; - Riconoscere potenziale innovativo e le potenziali ricadute a lungo termine della ricerca nell’ambito della catalisi. Abilità comunicative -Al termine del corso lo studente ha appreso come descrivere in una relazione tecnica i principali avanzamenti in un dato settore nell’ambito della catalisi e ad esporre in modo chiaro e sintetico con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.

1. Aspetti fondamentali: cosa è la catalisi? Cinetica chimica, catalisi e meccanismi di reazione: stadi limitanti la reazione 2. Tipi catalisi Catalisi omogenea Catalisi eterogenea Fotocatalisi Elettrocatalisi 3. Preparazione e caratterizzazione del catalizzatore Preparazione del materiale catalitico Attività e selettività del catalizzatore Misura delle proprietà catalitiche 4. Applicazioni della catalisi Catalisi per l’industria chimica, automobilistica, alimentare e farmaceutica Catalisi per l’ambiente e contro i cambiamenti climatici Catalisi per la conversione e lo stoccaggio dell’energia

La verifica del profitto consiste in una valutazione dei concetti fondamentali esposti a lezione e dalla preparazione di un elaborato su un argomento selezionato tra quelli proposti inerenti la catalisi in ambito di produzione di energia sostenibile, chimica ambientale, agricoltura sostenibile, nuovi materiali innovativi, ecc. La valutazione dei concetti fondamentali trattati a lezione avverrà tramite prove parziali sui contenuti del corso. La valutazione dell'elaborato riguarderà i seguenti aspetti: Il processo di scelta dell'argomento, ricerca bibliografica, organizzazione del materiale, preparazione della bozza e incorporazione del riscontro verrà considerato per valutare l'autonomia e le capacità organizzative dello studente. La presentazione orale, in classe o in sede d'esame, permetterà di valutare le capacità espositive dello studente e la capacità di individuare avanzamenti particolarmente promettenti in un dato ambito della catalisi. La presentazione in classe verrà seguita da una discussione aperta, con domande e contradditorio da parte dei presenti, che permetteranno di verificare il livello delle conoscenze acquisite e l’autonomia di analisi e giudizio. La presentazione e discussione dell'elaborato possono essere sostenute a scelta dello studente in lingua italiana o lingua inglese. Il voto finale, espresso in trentesimi con eventuale lode, è dato dalla media pesata delle valutazioni ottenute nelle diverse prove (prove parziali 25%, elaborato 75%).

Slides presentate a lezione e letture in esse suggerite.

Il corso intende promuovere l'apprendimento dei processi di preparazione e di trasformazione di diverse classi di polimeri, con particolare attenzione ai polimeri funzionali. Verranno trattati metodi e processi tecnologici tradizionali e recenti per migliorare le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche di questa classe di materiali, e verranno discusse le nozioni scientifiche che collegano le proprietà macroscopiche dei polimeri ai concetti fondamentali della scienza delle macromolecole. Verranno introdotti i principi e i concetti più rilevanti, insieme a casi studio relativi ai processi attualmente impiegati nell'industria.Conoscenza e capacità di comprensioneAl termine del corso, lo studente avrà aquisito conoscenze sui seguenti arrgomenti:• Le principali classi di materiali polimerici e, in particolare, i materiali polimerici utilizzati a livello industriali e i polimeri funzionali. Tra questi citiamo a titolo di esempio le poliolefine, le poliammidi, il PET e altri poliesteri, le gomme vulcanizzate e i siliconi.• La relazione tra le proprietà delle macromolecole a livello molecolare, le proprietà macroscopiche dei materiali polimerici e i principali interventi di modifica e formulazione dei polimeri volti alla soluzione di problematiche tecnologiche complesse.• La preparazione di materiali polimerici funzionali quali fibre, schiume, aerogel, membrane e nanocompositi a base polimerica.• La preparazione e le applicazioni a livello industriale di materiali polimerici. Queste conoscenze verranno esemplificate attraverso monografie che tratteranno, tra gli altri argomenti, il ricilo dei polimeri, i biopolimeri e le applicazioni in ambito biomedicale.Conoscenza e capacità di comprensione applicateAl termine del corso, lo studente sarà in grado di identificare le principali classi di materiali polimerici, capirne la preparazione e le proprietà e valutarne le applicazioni tecnologiche. Lo studente saprà affrontare problematiche legate alla scienza dei polimeri in ambito industriale e contribuire allo sviluppo di materiali polimerici innovativi.Autonomia di giudizioLo studente saprà valutare in maniera critica i principali processi di preparazione dei materiali polimerici e il loro impiego in specifiche applicazioni in ambito industriale e di ricerca.Abilità comunicativeLo studente saprà esprimere i temi trattati durante il corso utilizzando un linguaggio appropriato e la terminologia tecnica pertinente alla scienza dei polimeri. Sarà in grado di presentare e discutere argomenti di scienza dei polimeri con esperti del settore.Capacità di apprendimentoLo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite durante il corso per comprendere e discutere la più recente letteratura scientifica, inclusi i brevetti, riguardante la scienza dei polimeri.

• Concetti generali Classificazione e settori polimerici: commodities, specialities e tecnopolimeri.Polimeri come materiali: correlazione tra la struttura molecolare e l'assemblaggio delle catene polimeriche allo stato solido e le proprietà macroscopiche dei polimeri. Interazioni intermolecolari e processi di reticolazione e loro influenza sulle proprietà di resistenza all'urto e al calore. Autoassemblaggio di catene polimeriche e proprietà ottiche. Formazione di reticoli polimerici estesi.Polimeri ad alte prestazioni: ammidi ed esteri aromatici (i casi di Kevlar, Nomex), polietere etere chetone (PEEK). Polimeri di interesse industriale: poliuretani e loro proprietà. Fluoropolimeri: struttura e proprietà. Poliimmidi e polimeri speciali affini: polimeri con elevata resistenza termica e chimica per applicazioni avanzate.Sintesi e applicazioni di fibre e tessuti ad alte prestazioni.Principi per la formazione di schiume polimeriche: proprietà e applicazioni.Aerogel polimerici: sintesi, proprietà e applicazioni.Membrane polimeriche: metodi di preparazione, loro proprietà e applicazioni a livello industriale.Sintesi avanzata di polimeri allo stato solido e allo stato confinato: fenomeni di replica e fabbricazione di architetture polimeriche innovative.Compositi polimerici rilevanti per applicazioni industriali: integrazione di materiali ibridi, come argille modificate, nei polimeri per migliorare le proprietà meccaniche e ottiche. Caratterizzazione delle interfacce estese mediante metodi avanzati. • Applicazioni industriali e case studies Lavorazione del polimero fuso: estrusione, stampaggio a iniezione, soffiaggio e colata di film. Focus sul processo di estrusione e le sue applicazioni.Parametri di lavorazione, compreso il pretrattamento, e conseguenze sulle proprietà finali.Processi tecnologici avanzati con l'obiettivo finale di migliorare le proprietà funzionali dei polimeri. Polimerizzazione e post-trattamento: ricottura e saldatura del polimero.Principi di estrusione reattiva e utilizzo della maleimmide per compatibilizzare le poliolefine. Tipologie di estrusori, masterbatch e loro inserimento nella produzione di polimeri.Lavorazione dei polimeri in soluzione: filatura e rivestimento delle fibre, spalmatura. Elettrofilatura.Polimeri per applicazioni biomediche. Polimeri per lenti a contatto, descrizione dei metodi sintetici e di fabbricazione per lenti a contatto rigide e per lenti a contatto morbide.Processo di laminazione per la preparazione di materiale da imballaggio multistrato. Illustrazione delle problematiche di adesione tra diversi polimeri e con altri substrati.Tubi polimerici multistrato, il problema della diffusione del gas nei polimeri, focus sulla preparazione dell'alcool polivinilico.Riciclaggio di polimeri, inclusa la compatibilizzazione di rifiuti polimerici misti utilizzando compatibilizzatori multiblocco. Depolimerizzazione.Biopolimeri di origine agricola e loro trasformazione. Le numerose modificazioni della cellulosa (nitrocellulosa, acetato di cellulosa, ecc.). Film polimerici da rifiuti agricoli trattati.Elastomeri per l'industria automobilistica, il processo di vulcanizzazione, principali argomenti di degradazione, stabilità e riciclaggio della rete polimerica. Questioni aperte nel riciclo, elastomeri termoplastici, reticolazione fisica e reversibile.Autoassemblaggio di catene polimeriche per il rilascio di farmaci, impalcature cellulari e altre applicazioni nella nanomedicina e per la preparazione di superfici modellate per l'elettronica.Polimeri autoriparanti. Miscele di polimeri (esempio, HIPS). Il corso prevede lezioni svolte con la partecipazione di esperti nel campo della chimica dei polimeri. Lo studente è invitato a proporre un argomento di suo interesse nel settore da presentare alla classe.

Prova orale.Colloquio orale su un argomento di approfondimento a scelta dello studente nell’ambito della chimica e tecnologia dei polimeri e sugli argomenti svolti a lezione. Possono anche essere richiesti i concetti di base nella scienza dei polimeri, e la struttura dei più comuni polimeri.

Polymer Chemistry. S. Koltzenburg, M. Maskos, O. Nuyken. Springer (2017). Hybrid Materials: Synthesis, Characterization, and Applications. Editor: G. Kickelbick. Wiley-VCH (2007). ISBN: 978-3-527-31299-3 4. Understanding Polymer Processing. T.A.Osswald. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG (2015). Slides delle lezioni.

Il corso introduce e discute criticamente le proprietà dei solidi inorganici e alcuni metodi avanzati per la sintesi di materiali funzionali.Questo insegnamento ambisce a contribuire alle competenze specifiche, teoriche e sperimentali, sulle proprietà dei materiali inorganici, e alle capacità pratiche per la preparazione e caratterizzazione dei materiali. Al termine del corso lo studente conoscerà i fondamenti chimico-fisici e di processo relativi ad alcuni tra i principali approcci alla sintesi di materiali inorganici, sia in termini di metodi di sintesi chimica sia di parametri chimico-fisici e di processo per la sintesi di materiali funzionali a base inorganica. Il corso è la naturale integrazione di Chimica Inorganica delle Formulazioni e Chimica di Coordinazione e Metallorganica. Conoscenze e capacità di comprensione: il corso ha l'obiettivo di creare uno spirito critico, volto all'esame e alla comprensione dei processi coinvolti nella preparazione dei materiali inorganici e delle loro propietà. Lo studente utilizza con dimestichezza concetti e strumenti interpretativi di applicazione generale nell'ambito degli argomenti trattati nelle lezioni.Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Al termine del corso lo studente maneggia concetti relativi alle nozioni di termodinamica e cinetica da applicare nel campo della sintesi di materiali inorganici di diverse tipologie, inclusa la rilevanza applicativa dei solidi inorganici in processi industriali e nell'ambito della ricerca.Autonomia di giudizio: grazie alle interazioni con gli studenti in aula viene costantemente stimolato lo sviluppo di un'adeguata autonomia di giudizio.Abilità comunicative: il corso ha l'obiettivo di migliorare le abilità comunicative. A tale scopo gli esami di profitto sono svolti con modalità orale in presenza dei docente, con particolare cura verso gli aspetti di linguaggio tecnico e scientifico.Capacità di apprendimento: il corso vuole stimolare e migliorare le capacità di apprendimento mediante la discussione, in aula, di recenti pubblicazioni scientifiche inerenti agli argomenti del corso. Lo studente avrà modo di sviluppare le proprie capacità di apprendimento autonomo, confrontandosi direttamente anche con le fonti di letterature scientifica, e le proprie abilità comunicative, che verranno verificate in sede di esame orale.

Teoria del legame chimico nei solidi Modello a bande, elettroni quasi liberi e modello tight-binding, modello di Hubbard.Disponilità e distribuzione degli elementi chimici nella crosta terrestre: problemi ambientali e tecnologici per l'estrazione degli elementi di interesse per la sintesi di materiali inorganici. Sintesi di solidi da fase gassosa: deposizione chimica e fisica da vapore, (e tecniche derivate) con modelli cinetici, tipi di reattore, requisiti dei reagenti. Sintesi da fuso e da soluzione: crescita di cristalli dal fuso: caratteristiche generali e tecniche specifichei (metodi di Verneuil, Bridgman-Stockbarger, Czochralski, Kyroupolos, a zona fluttuante). Crescita da soluzione a bassa e alta temperatura (processi solvotermali e idrotermali, crescita da solventi speciali ad alta temperatura). Reazioni di precipitazione e controllo della morfologia cristallina. Il ruolo di additivi/impurezze. Reattività e stabilità dei materiali inorganici: Definizioni avanzate di acidi e basi, proprietà acido-base e redox dei materiali inorganici, diagrammi di fase e stabilità in acqua e altri solventi. Chimica delle superfici dei materiali inorganici: Differenze nella reattività delle diverse facce dei materiali inorganici, effetti di nanostrutturazione, funzionalizzazione di superfici, fenomeni di intercalazione in materiali a strati.

L’esame consiste in un colloquio orale e individuale. Non sono previste prove in itinere intermedie. La votazione viene espressa secondo la seguente scala di valutazione: Voti alti (28-30 e lode):Conoscenze e capacità di comprensione: Lo studente ha acquisito ottime e approfondite conoscenze e mostra ottima capacità di ragionamento autonomo sugli argomenti trattatiConoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente sa affrontare, con completo successo, un caso reale di studio, utilizzando gli strumenti concettuali acquisitiCapacità espositive e di apprendimento Lo studente formula le risposte fluentemente e con proprietà di linguaggio, ricorrendo anche a rappresentazioni grafiche e simboliche. Si riscostrano al più piccoli errori formali. Voti medi (23-27):Conoscenze e capacità di comprensione: Lo studente ha acquisito buone conoscenze e mostra buona capacità di ragionamento autonomo sugli argomenti trattatiConoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente sa affrontare, con parziale successo, un caso reale di studio, utilizzando gli strumenti concettuali acquisitiCapacità espositive e di apprendimento Lo studente formula le risposte correttamente e con parziale proprietà di linguaggio, ricorrendo anche a rappresentazioni grafiche e simboliche. Si riscostrano alcuni errori espositivi sostanziali. Voti bassi (18-22):Conoscenze e capacità di comprensione: Lo studente ha acquisito sufficienti conoscenze e mostra discreta capacità di ragionamento autonomo sugli argomenti trattatiConoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente sa affrontare, con autonomia limitata, un caso reale di studio, utilizzando gli strumenti concettuali acquisitiCapacità espositive e di apprendimento Lo studente formula le risposte con fatica, ricorrendo, se aiutato, anche a rappresentazioni grafiche e simboliche. Si riscostrano vari errori espositivi sostanziali. Voto insufficiente (minore di 18):Conoscenze e capacità di comprensione: Lo studente non ha acquisito sufficienti conoscenze e capacità di ragionamento autonomo sugli argomenti trattatiConoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente non sa affrontare un caso reale di studio utilizzando gli strumenti concettuali acquisitiCapacità espositive e di apprendimento Lo studente non è in grado di formulare risposte appropriate.

Testo di riferimento:Synthesis of inorganic materials - U. Schubert, N. Hüsing - (2019) - ebook Testi per approfondimento/consultazione: The inorganic chemistry of materials: how to make things out of elements - P.J. van der Put - (1998) Solid state chemistry. Compounds - Eds. A.K. Cheetham, P. Day - (1992) Modern inorganic chemistry synthesis – R. Xu, W. Pang, Q. Huo Eds. - (2017) – ebook Inorganic chemistry – D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford – Oxford University Press (1990) Inorganic chemistry – J. E. Huheey – Harper & Row Eds. (1983) Gli argomenti trattati in aula saranno disponibili in formato pdf sulla piattaforma e-learning.

Obiettivi generali I materiali molecolari stanno rapidamente guadagnando terreno, sia in termini di ricerca scientifica, sia di applicazioni tecnologiche.Obiettivo del corso è quello di fornire una conoscenza dettagliata delle relazioni delle proprietà della struttura che governano il comportamento di tali materiali, con particolare attenzione alle proprietà elettroniche, ottiche e optoelettroniche. Conoscenza e comprensione Alla fine del corso lo studente: Comprende il concetto di coniugazione in materiali organici e correla l'estensione della coniugazione con proprietà ottiche, elettriche e optoelettronicheComprende il concetto di legame non covalente ed è in grado di comprendere la sua influenza nello stato di aggregazione di molecole e polimeri allo stato solido e in soluzioneÈ in grado di distinguere tra residui donatori ed accettori di elettroni in molecole organiche. Può ragionare sulla loro influenza sulle proprietà elettriche, ottiche e optoelettroniche.È in grado di progettare materiali coniugati organici per uno scopo specifico, in base a una serie di condizioni che definiscono il comportamento richiesto Conoscenze e capacità di comprensione Lo studente: Conosce i principi di funzionamento di base dei modulatori elettro / ottici organici, transistor a film sottile, dispositivi elettrocromici, celle solari, oleds, fotorivelatori, batterie organiche. Sulla base di tale conoscenza, lo studente è in grado di proporre strategie per migliorarne le prestazioni.È in grado di raccogliere in modo indipendente informazioni aggiuntive su uno qualsiasi degli argomenti descritti durante le lezioni.È in grado di progettare e modificare una struttura molecolare proposta in modo da poter essere applicata in differenti dispositivi. Autonomia di giudizio Data la struttura di una molecola o di un polimero coniugati, lo studente è in grado di stimare qualitativamente le corrispondenti proprietà ottiche, elettriche e optoelettroniche. All'opposto, data una certa funzione che una data molecola organica deve svolgere, lo studente può proporre derivati organici noti in letteratura e originali in grado di eseguirla. Lo studente è anche in grado di stimare l'influenza dell'ambiente sulle proprietà di molecole isolate ed aggregate. Abilità comunicative Lo studente possiede capacità di fornire informazioni concise e complete. Lo studente possiede la terminologia specifica del campo, quindi è nella posizione di discutere con le controparti che possiedono un background sia chimico sia fisico / ingegneristico. Possiede un atteggiamento di "problem solving". Capacità di apprendimento Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in grado di gestire autonomamente la vasta letteratura dedicata ai materiali coniugati. Conosce gli strumenti di ricerca della letteratura dedicata, inclusi i brevetti.

Il corso è organizzato in attività in classe, attività interattive in aula baste sull'analisi del design molecolare e attività di laboratorio. • Elementi di design dei materiali coniugati (elementi costitutivi)• Elementi di chimica supramolecolare (interazioni non covalenti)• Elementi di interazione luce-materia• Molecole e materiali coniugati con comportamento ottico non lineare• Fotoresist• Semiconduttori e conduttori polimerici organici• Materiali elettrocromici• Transistor a effetto di campo organico• Terapia fotodinamica• Materiali organici per celle solari (DSSC, perovskite e ad eterogiunzione)• Complessi a trasferimento di carica• Dispositivi organici ad emissione luminosa Letture guidate di lavori di letteratura di elevata rilevanza.Disegno e analisi critica di strutture molecolari: il lavoro verrà svolto a gruppi in aula e verranno proposte e analizzate strutture specifiche di molecole. Le strutture verranno poi modificate in maniera cooperativa per modificarne le proprietà previste.

COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE, SUI TESTI DI ESAME E DISCUSSIONE SULLE ATTIVITA' DI LABORATORIO; Durante l'esame lo studente dovrà rispondere a 3 domande generali sugli argomenti discussi nelle lezioni. Le domande si concentreranno sulla capacità di riorganizzare i concetti discussi nelle lezioni. Gli studenti saranno incoraggiati a ragionare sul possibile uso delle loro nozioni in esempi pratici/applicazioni. L'esame prevede una prima domanda su un argomento a scelta dello studente e le altre due domande deriveranno dalla estensione dei concetti esposti e riportati su altri argomenti trattati nel corso. Votazione < 18Votazione insufficiente; non raggiunto il livello minimo di preparazione. Votazione 18-21Preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, capacità di elaborazione critica limitata. Votazione 22-24Preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma limitata, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta. Votazione 25-27Preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare. Votazione 28-30LPreparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata.

Libri di testo: Introduction to Organic Electronic and Optoelectronic Materials and Devices. Sam-Shajing Sun and Larry R. Dalton (editors), 2017, Taylor & Francis Group Molecular Electronics: From Principles to Practice. Michael C. Petty, 2007, John Wiley & Sons Rechargeable Organic Batteries: Materials, Mechanisms, and Prospects. Yongzhu Fu, Xiang Li, Shuai Tang, Wei Guo, 2024 WILEY-VCH GmbH Slides annotate (su Moodle).Registrazioni delle lezioni (su Moodle).

Obiettivo del corso è fornire agli studenti alcuni strumenti teorico/computazionali fondamentali per lo studio microscopico di processi termodinamici e cinetici nei materiali. Ecco la traduzione in italiano del testo fornito: Conoscenze e comprensioneAl termine del corso lo studente conosce: i concetti fondamentali della termodinamica e della cinetica alla base della scienza dei materiali computazionale le principali tecniche computazionali per la modellazione della dinamica atomica e la differenza tra approcci classici e quantistici gli algoritmi chiave utilizzati per implementare le simulazioni di Dinamica Molecolare e gli approcci Monte Carlo Capacità di applicare conoscenza e comprensioneAl termine del corso lo studente è in grado di: implementare codici di base per la simulazione della dinamica su scala atomica effettuare analisi numeriche/statistiche sui dati ed estrarre quantità di rilievo fisico adattare/modificare i codici di simulazione e selezionare parametri appropriati per affrontare diversi materiali o condizioni fisiche riconoscere l’utilizzo e l’importanza dell’analisi computazionale e delle simulazioni nella scienza dei materiali Autonomia di giudizioAl termine del corso lo studente è in grado di: scegliere l’approccio computazionale più adatto per effettuare simulazioni in base alla tipologia del problema specifico, alla scala e alle quantità da valutare identificare eventuali errori o limiti delle simulazioni ispezionando quantità chiave e utilizzando adeguate tecniche statistiche Abilità comunicativeAl termine del corso lo studente sarà in grado di descrivere e spiegare oralmente, con linguaggio appropriato, gli argomenti trattati nel corso. Inoltre, lo studente imparerà a sintetizzare i risultati delle simulazioni in grafici, immagini e/o video efficaci e a presentarli tramite una presentazione con slide (vedi modalità di valutazione). Capacità di apprendimentoLo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite per comprendere e, se necessario, implementare in modo autonomo tecniche più avanzate inerenti ai metodi discussi nel corso o ad altri approcci computazionali affini, facendo riferimento a libri di testo o alla letteratura scientifica. Inoltre, il corso fornirà agli studenti le basi necessarie per comprendere la documentazione e i manuali d’uso dei software di simulazione esistenti per la Dinamica Molecolare e le simulazioni Monte Carlo, consentendo un utilizzo più consapevole e trasparente di tali strumenti.

Ripasso di concetti base di meccanica statistica classica: ensemble canonico e microcanonico. Medie temporali e medie nell'ensemble microcanonico: il teorema ergodico. Equivalenza dei diversi ensembles nel limite termodinamico. Approssimazione adiabatica: scale temporali nucleari ed elettroniche e loro separazione. Hamiltoniana elettronica. Trattazione classica del moto nucleare: hamiltoniana nucleare e potenziale interatomico. Dinamica molecolare ab initio vs dinamica molecolare classica: assegnazione di un potenziale empirico. Limiti della descrizione puramente classica. Potenziali classici a coppie e a molti corpi. Il concetto di packing fraction cristallina e connessione con la scelta del potenziale appropriato. Il potenziale di Lennard Jones. Definizione di un raggio di cutoff e dipendenza delle proprietà fisiche del sistema da esso. Elementi base di programmazione scientifica, con esempi in Matlab. Costruzione di un codice per il calcolo dell'energia di un cristallo descritto dal potenziale di Lennard-Jones. Calcolo dei vicini. *** Dinamica Molecolare**Algoritmi per l'integrazione delle equazioni del moto: configurational e velocity Verlet. Assegnazione delle velocità iniziali, ottimizzazione del tempo di integrazione. Calcolo delle forze all'interno di un codice di dinamica molecolare e sua implementazione. Costruzione di un codice completo di dinamica molecolare classica basato sui potenziali di Lennard-Jones. Argomenti avanzati: (a) controllo della temperatura nelle simulazioni di dinamica molecolare tramite termostati e/o velocity rescaling (b) cicli termici in dinamica molecolare (c) linear scaling in dinamica molecolare Esercitazione sulla dinamica molecolare da discutere all'esame (parte 1 su 3). *** Kinetic Monte Carlo**Il problema delle scale temporali; transition state theory; distribuzione dei tempi di fuga. Cenni su catene di Markov, Master equation e condizione di detailed-balance. Formulazione del metodo Kinetic Monte Carlo. Algoritmo di Bortz-Kalos-Lebowitz ed implementazione di un codice Kinetic Monte Carlo per la descrizione dei processi di crescita cristallina. Esercitazione sul metodo Kinetic Monte Carlo da discutere all'esame (parte 2 su 3) *** Metropolis Monte Carlo**Importance sampling e valutazione delle proprietà di equilibrio di un sistema mediante il metodo Monte Carlo configurazionale alla Metropolis. Implementazione di un codice Monte Carlo alla Metropolis. Esercitazione sul metodo Monte Carlo Metropolis da discutere all'esame (parte 3 su 3).

L'esame prevede solo una prova orale. Nello specifico l'esame inizia della valutazione dei risultati di simulazione ottenuti per le tre parti delle esercitazioni assegnate durante il Corso e svolti dagli studenti nel laboratorio informatico. A tale scopo è richiesto che gli studenti predispongano una presentazione dei risultati mediante slides e ne espongano oralmente il contenuto in un tempo massimo di 15 minuti, ovvero indicando solamente i passaggi fondamentali senza dettagli o spiegazioni non richieste. I docenti valutano la chiarezza delle slides e la selezione di argomenti presentati, e interroga lo studente sui contenuti. Valuta quindi la preparazione complessiva sugli argomenti del Corso mediante domande aperte, ed esprime una votazione finale. Non sono previste prove in itinere.

Tutte le lezioni tenute dal docente in presenza sono corredate da apposite slides scaricabili dalla piattaforma e-learning. Pur non seguendo uno specifico testo, la gran parte dei contenuti può essere trovata sul libro "Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications" di Smit e Frenkel.

Conoscenza dei principi fisici alla base delle trasformazioni energetiche e delle risorse energetiche primarie, della loro disponibilità e tecnologie di utilizzo.

DdD 1: Conoscenza e capacità di comprensioneDefinizione dei sistemi energetici e delle problematiche connesse. Evoluzione del fabbisogno energetico. Sostenibilita' dei sistemi energetici. Capacity Factor, Energy Return On Investments.Elementi di termodinamica. Cicli di interesse per la generazione di energia ed efficienze, esempi di applicazione in impianti di generazione.Dinamica dei fluidi per la conversione energetica. Conservazione dell'energia in un fluido ideale, equazione di Bernoulli, dinamica di un fluido viscoso, forze di lift e drag, circolazione, flusso su un profilo alare, equazione di Eulero per una turbina.Fonti di energia rinnovabili termiche a bassa entalpia: solare termico, geotermia, idrotermia. Esempi, disponibilita' potenziale, linee di sviluppo tecnologico.Introduzione all'energia nucleare. Energia di legame, curva di stabilita', decadimento radioattivo, modello nucleare a goccia, cenni all'interazione di radiazione ionizzante con la materia.Fissione Nucleare. Reazione a catena, energia di attivazione, cenni di neutronica, cinetica del reattore e moderatore. Schemi di funzionamento di reattori a neutroni termici e a neutroni veloci. Ciclo del combustibileFusione Nucleare . Reazioni di fusione, cenni di fisica del plasma termonucleare, cenni al confinamento inerziale del plasma, confinamento magnetico del plasma, dispositivi tokamak, schema di funzionamento del reattore termonucleareFonti di energia rinnovabili di origine meccanica di tipo streaming: eolico, onde di marea, onde marine. Esempi e disponibilita' potenziale, linee di sviluppo tecnologico.Energia idroelettrica. Potenza in uscita da un bacino idroelettrico. Turbine a impulse e a reazione e rispettivi range di funzionamentoEnergia da biomasse. Processi di conversione dell’energia posseduta dalle biomasse vegetali. Selezione delle biomasse per produzione energetica.Solare fotovoltaico. Generalita’ sulle celle solari inorganiche. Semiconduttori. Celle al silicio. Tecnologie avanzate per l’ottimizzazione dell’efficienzaCombustibili fossili: formazione, riserve, elementi di combustione e potere calorifico.Cenni alle reti di distribuzione dell'energia elettrica e ai sistemi di storage.Combinazione delle fonti energetiche verso la sostenibilità

Valutazione basata sui tre elementi seguenti-Preparazione di una relazione scritta, con esposizione di un approfondimento svolto dallo studente, valutato secondo i criteri di originalità, rigore scientifico e chiarezza di esposizione (DdD 2: Conoscenza e capacità di comprensione applicate, DdD 3: Autonomia di giudizio).-Svolgimento di un breve seminario con esposizione di un approfondimento svolto dallo studente, in presenza, valutato secondo i criteri di originalità, rigore scientifico e chiarezza di esposizione (DdD 4: Abilità comunicative).Tali seminari possono riferirsi alternativamente aAPPROFONDIMENTO SU ARTICOLO SCIENTIFICO (esposizione di argomenti non trattati a lezione);ANALISI DI CASO (Descrizione di situazione o esempio reale di cui si analizzano le interconnessionifra i diversi elementi/variabili alla luce di una o più paradigmi teorici);PROJECT WORK (Sviluppo di un progetto originale a partire da una semplice idea o dall’analisi diun caso esistente). -COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE. Colloquio orale volto a verificare il livello di conoscenza e comprensione dei contenuto del corso. (DdD 5: Capacità di apprendere; DdD 1: Conoscenza e capacità di comprensione degli argomenti trattati nel corso). Non sono previste prove in itinere

John Andrews, Nick Jelley. Energy Science: Principles, Technologies, and Impacts. Oxford University Press, 2017 (third edition or newer, fourth edition 2021)Bob Everett, Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future. OUP Oxford, 2012Ibrahim Dincer, Calin Zamfirescu. Sustainable Energy Systems and Applications. Springer Science 2011Tushar K. Ghosh, Mark A. Prelas. Energy Resources and Systems: Volume 2: Renewable Resources. Springer Business & Economics 2011Slides del corso messe a disposizione dal docente.

Il corso mira a raggiungere i seguenti risultati: Conoscenza e capacità di comprensione: introdurre i principi fisici fondamentali e le caratteristiche uniche alla base di nano materiali quantistici; i principali metodi di crescita utilizzati per sintetizzarli; nonché, le principali tecniche sperimentali utilizzate per indagare il loro comportamento quantistico. Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Il corso tratterà i più importanti metodi sperimentali di deposizione e caratterizzazione utilizzati per fabbricare e comprendere questi materiali complessi fino a livello subatomico. Il corso mostrerà come e perché questi materiali hanno un grande potenziale per la realizzazione nel prossimo futuro di nuove opportunità tecnologiche. Autonomia di giudizio: Gli studenti saranno in grado di valutare le tecniche di fabbricazione e caratterizzazione più adatte e i parametri da ottimizzare per lo studio di nanomateriali e materiali quantistici. Abilità comunicative: Gli studenti acquisiranno una terminologia specialistica sulle tematiche trattate nel corso. Capacità di apprendere: Gli studenti saranno in grado di seguire corsi più avanzati, seminari, e consultare in autonomia libri sulle tematiche trattate nel corso.

Introduzione: Utilizzo di materiali quantistici per le moderne tecnologie quantistiche. Panoramica dei prerequisiti del corso, contenuti delle lezioni, libri di testo/letteratura e metodi di valutazione. Simmetrie allo stato solido: gruppi puntuali, gruppi spaziali, gruppi magnetici, rappresentazioni irriducibili e struttura a bande. Ulteriori simmetrie allo stato solido: teorema di Noether ed esempi, simmetria di inversione temporale, accoppiamento Spin-Orbita Bassa dimensionalità (confinamento quantistico in 2D, 1D e 0D). Topologia e stati topologicamente protetti: Teoria delle bande topologiche, Stato Hall quantistico, invariante TKNN, Stati di edge chirali, fase di Berry, numero di Chern. Isolanti topologici 2D e 3D: modello di Haldane, modello di Kane-Mele, invariante Z2, quantum well HgTe/CdTe, antimoniuro di bismuto, seleniuro di bismuto. Materiali 2D e grafene (struttura a bande, pseudospin, massa efficace, e densità di stati) Solidi di van der Waals: proprietà elettroniche e strutturali di strati singoli, multistrati ed eterostrutture. Introduzione alla sintesi dei cristalli. Equilibrio di fase cristallo-ambiente. Teoria della nucleazione: formazione omogenea ed eterogenea di nuclei 2D e 3D. Velocità di nucleazione. Teoria della crescita dei cristalli: crescita normale delle facce ruvide; crescita dello strato delle facce piane (velocità di avanzamento di uno step); crescita strato per strato e multistrato. Epitassia, eteroepitassia, deformazione e rilassamento. Aspetti pratici e tecnici dell'epitassia da fasci molecolari (MBE). Utilizzo della MBE per la crescita di materiali quantistici selezionati. Chemical Vapour Deposition (CVD): concetti di base, aspetti pratici ed esempi di crescita di materiali quantistici. Deposizione per Sputtering, Pulsed Laser Deposition (PLD) e Atomic Layer Deposition (ALD). Spettroscopie fotoelettroniche: introduzione ai raggi X (generazione e rilevamento), transizioni nucleo-buco e classificazione, aspetti pratici e teorici, rilevanza per le indagini sulla fisica dello stato solido. Spettroscopia fotoelettronica ultravioletta (UPS) e spettroscopia di emissione fotoelettronica ad angolo risolto (ARPES): concetti di base, aspetti teorici, aspetti pratici ed esempi di indagine di materiali quantistici. Spettroscopie di assorbimento dei raggi X (NEFAFX ed EXAFS) e spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS): concetti di base, aspetti teorici, aspetti pratici ed esempi di studio di materiali quantistici. Tecniche risonanti: spettroscopie fotoelettroniche risonanti (ResPES e Res-ARPES) e diffusione anelastica di raggi X risonanti (RIXS): concetti di base, aspetti teorici, aspetti pratici ed esempi di studio di materiali quantistici. Tecniche ottiche ed elettroniche ultraveloci per lo studio dinamico dei materiali: concetti di base, aspetti teorici, aspetti pratici ed esempi di studio di materiali quantistici.

a) Esame finale. Le conoscenze degli studenti verranno valutate attraverso una prova orale incentrata sugli argomenti trattati durante il corso. L'esame si svolgerà alla fine del corso e non sono previste prove in itinere durante lo svolgimento del corso. b) Competenze valutate. Nella prova finale vengono valutate le seguenti competenze: 1. Conoscenza dei concetti fondamentali della fisica dei nano materiali quantistici, con particolare focus su materiali 2D e isolanti topologici; 2. Conoscenza dei concetti fondamentali riguardo i metodi e le tecniche di crescita dei nano materiali quantistici; 3. Capacità di progettare strategie di fabbricazione per materiali specifici e di identificare le piu' appropriate tecniche di misura da utilizzare per caratterizzare le loro proprietà quantistiche. c) Criteri di valutazione. Durante la prova orale valuteremo i seguenti parametri: i) percentuale di domande a cui è stata data risposta corretta; ii) per ciascuna risposta, percentuale dei dettagli sperimentali e teorici forniti dallo studente rispetto a quelli esposti, discussi e applicati durante il corso; iii) per ciascun argomento proposto in sede d'esame, percentuale di commenti sugli aspetti applicativi rispetto a quelli discussi e inseriti nei contenuti del programma.

Libri di Testo Tinkham M. (2004), Group Theory and Quantum Mechanics. Dover Publications Inc. El-Batanouny, M. (2020). Advanced Quantum Condensed Matter Physics: One-Body, Many-Body, and Topological Perspectives. Cambridge University Press. B. Andrei Bernevig, Taylor L. Hughes (2013). Topological Insulators and Topological Superconductors, Princeton University Press. Jia-Ming Liu and I-Tan Lin (2018). Graphene Photonics. Cambridge University Press. Avouris, P., Heinz, T., & Low, T. (Eds.). (2017). 2D Materials: Properties and Devices. Cambridge University Press. Ivan V Markov (2003), Crystal Growth for Beginners: Fundamentals of Nucleation, Crystal Growth and Epitaxy, 2nd Edition, World Scientific. Hans Lüth (2014). Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films. Graduate Texts in Physics. Barabási, A., & Stanley, H. (1995). Fractal Concepts in Surface Growth. Cambridge University Press. Articoli ScientificiDifferent topics of the course are also well presented in scientific articles, such as: Feliciano Giustino et al (2020) The 2021 quantum materials roadmap. J. Phys. Mater. 3 042006. B. Keimer & J. E. Moore (2017) The physics of quantum materials. Nature Physics 13, 1045–1055. Hasan MZ, Kane CL (2010) Colloquium: Topological insulators. Reviews of Modern Physics, 82(4):3045–3067. N. T. Ziani, L. Vannucci, M. Sassetti (2018) Topological insulators: a beautiful revolution. Il Nuovo Saggiatore, 34, 13. N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, and C. Felser (2021), Topological Quantum Materials from the Viewpoint of Chemistry, Chem. Rev. 2021, 121, 2780−2815. Novoselov KS, Mishchenko A, Carvalho A, Neto AHC (2016) 2D materials and van der Waals heterostructures. Science, 353, aac9439. Jonathan A. Sobota, Yu He, and Zhi-Xun Shen (2021). Angle-resolved photoemission studies of quantum materials. Rev. Mod. Phys. 93, 025006. Fink, J., Schierle, E., Weschke, E. & Geck, J. (2013) Resonant elastic soft x-ray scattering. Reports on Progress in Physics 76, 056502. Ament, L. J. P., van Veenendaal, M., Devereaux, T. P., Hill, J. P. & van den Brink, J. (2011) Resonant inelastic x-ray scattering studies of elementary excitations. Rev. Mod. Phys. 83, 705–767. Y. Zhu and H. Dürr (2015). The future of electron microscopy. Physics Today 68(4), 32. C. Colliex (2019). Chapter Three - Electron energy loss spectroscopy in the electron microscope. Advances in Imaging and Electron Physics 211, 187-304. Caruso, F., & Novko, D. (2022). Ultrafast dynamics of electrons and phonons: from the two-temperature model to the time-dependent Boltzmann equation. Advances in Physics: X, 7(1). J. Orenstein (2012), Ultrafast spectroscopy of quantum materials, Physics Today 65, 9, 44. J Lloyd-Hughes et al (2021) The 2021 ultrafast spectroscopic probes of condensed matter roadmap. J. Phys.: Condens. Matter 33 353001.

Il corso si propone di fornire agli studenti i principi e le basi per comprendere il comportamento delle tecnologie elettrochimiche per la conversione e lo stoccaggio dell'energia, e per inquadrarle nel più ampio contesto dell'attuale scenario energetico. Conoscenze e capacità di comprensioneAl termine del corso lo studente conosce: Concetti di base dei sistemi elettrochimici (elettroliti, elettrodi, fenomeni di trasporto, teoria dell'interfaccia elettrificata). Principali tecnologie di accumulo elettrochimico dell'energia (supercapacitori, batterie), loro natura e composizione. Tecniche di analisi elettrochimica dei suddetti dispositivi (analisi a corrente costante, voltammetria, spettroscopia d'impedenza). Applicazione delle conoscenze e capacità di comprensioneAl termine del corso, lo studente è in grado di: Comprendere i principali fenomeni elettrochimici e la natura dei dispositivi elettrochimici. Applicare le conoscenze acquisite per valutare in modo critico la scelta dei materiali nei diversi dispositivi per di accumulo elettrochimico di energia, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali. Assemblare un dispositivo elettrochimico, preparandone elettroliti ed elettrodi. Comprendere ed effettuare analisi sulle varie componenti di un sistema di accumulo (elettrolita, anodo e catodo) Autonomia di giudizioAl termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di: Dimostrare la padronanza degli argomenti trattati nel corso Comprendere il principio di funzionamento di un dispositivo elettrochimico di accumulo dell'energia Dimostrare di essere in grado di analizzare criticamente dati elettrochimici raccolti in laboratorio. Ciò comprende anche la capacità di organizzare i dati in un elaborato scientifico. Abilità comunicativeAl termine di questa attività, lo studente sarà in grado di esporre oralmente e con proprietà di linguaggio gli argomenti scientifici relativi i sistemi di accumulo di energia. Lo studente sarà anche in grado di produrre un elaborato scritto relativo alle esperienze di laboratorio. Capacità di apprendereAl termine del corso, lo studente è in grado di: Approfondire in modo autonomo le conoscenze sui materiali e dispositivi di accumulo elettrochimico di energia attraverso la letteratura scientifica e risorse specialistiche. Aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull’evoluzione tecnologica nel campo dei sistemi di accumulo elettrochimico. Valutare criticamente nuove informazioni e dati nel settore, a supporto del processo decisionale e della risoluzione di problemi.-Sviluppare un approccio multidisciplinare allo studio e alla comprensione dei sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia, integrando principi di scienza dei materiali, chimica e ingegneria. Proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel settore delle tecnologie di accumulo dell'energia.

Introduzione alle nozioni di base delle celle e degli elementi elettrochimici (elettrodi, elettroliti). Fondamenti di termodinamica elettrochimica ed equilibrio elettrochimico all'interfaccia elettrodo. Tipo di elettrodi e definizioni IUPAC in elettrochimica. Trattamento cinetico di semplici reazioni elettrochimiche all'elettrodo. Controllo del trasferimento di carica e problema del trasporto di massa. Classificazione, conducibilità e mobilità degli elettroliti. L'elettrolita cristallino solido.Problemi e soluzioni in elettrochimica sperimentale. Metodi elettrochimici, metodi DC chrono e metodi di potenziali sweep. Fondamenti di spettroscopia di impedenza elettrochimica.Celle galvaniche ed elettrolizzatori. Energia e potenza delle fonti di energia elettrochimiche. Il diagramma di Ragone, sistemi aperti e sistemi chiusi. Classificazione delle celle a combustibile e fondamenti di termodinamica delle celle a combustibile. La corrente potenziale caratteristica di una cella a combustibile ideale. Batterie primarie e secondarie, schema generale delle batterie e ruolo dell'elettrolito. Curve di scarica nelle batterie. Efficienze nelle batterie secondarie. Condensatori elettrochimici a doppio strato, curve del potenziale di corrente. I concetti di super- e pseudo-condensatori.

L'esame principale si terrà in modalità orale e sarà relativo agli argomenti trattati durante il corso. A concorrere al giudizio verrà valutato anche un elaborato prodotto al termine delle esperienze di laboratorio (costruito sulla falsa riga di un articolo scientifico).

Materiale fornito dal docente e capitoli scelti dai seguenti libri:Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) chapter 4Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition), chapters 6,7Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition), chapters 3,4Selezione di articoli scientifici

Il corso fornisce le conoscenze e le basi metodologiche per conoscere e comprendere i principi che definiscono la chimica sostenibile e/o ‘verde’ in tutti gli aspetti legati a questo argomento. Il corso presenta i concetti di base, ovvero i 12 principi della chimica verde, e le loro manifestazioni nel mondo reale, sotto forma di processi e pratiche moderne nella ricerca e sviluppo, nonché nella produzione all'interno delle aree che si basano su o comprendono trasformazioni chimiche. L'impatto della sostenibilità sui processi chimici e sulla produzione viene discusso introducendo e applicando parametri di sostenibilità come l'economia atomica o l'impronta di carbonio. Conoscenza e capacitàAl termine del corso lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito una buona conoscenza:• I principali parametri da valutare per definire un processo a basso impatto ambientale.• Le corrette definizioni di chimica ‘verde’, i.e., green chemistry.• Le connessioni tra processi sostenibili e/o green e l'economia circolare.• Le sfide scientifiche connesse al passaggio da un'economia basata sul petrolio a una bioeconomia.• La differenza tra processi sostenibili, processi green e processi che sono sia sostenibili che green.• I fondamenti dell'analisi del ciclo di vita, compresi gli aspetti di sostenibilità. Conoscenza e capacità di comprensione applicateAl termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:• applicare i concetti di chimica ‘green’ appresi nel corso che costituiscono la base dello sviluppo sostenibile.• giudicare se un processo si qualifica come ‘green’ e/o sostenibile.• descrivere i mezzi di lavorazione sostenibile.• comprendere l'impatto di concetti come lab-on-a-chip e organismi modello per la sostenibilità.• calcolare alcuni dei principali indicatori di sostenibilità nella chimica. Autonomia di giudizioAl termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:• applicare le conoscenze acquisite in vari contesti.• trasferire i concetti e gli approcci introdotti in un determinato contesto in ambiti connessi.• elaborare i concetti di lavorazione sostenibile e green discussi nel corso.• analizzare le fasi della vita di un prodotto o di un processo.• valutare criticamente i risultati ottenuti dall'applicazione dei modelli.• individuare possibili interventi per ridurre gli impatti. Abilità comunicativeAl termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:• analizzare un problema di chimica in modo chiaro e conciso.• spiegare oralmente con un linguaggio adeguato gli obiettivi, le modalità e i risultati delle elaborazioni effettuate. Capacità di apprendereAlla fine del corso lo studente dovrebbe essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere come gli argomenti inerenti alla sostenibilità sono trattati nella letteratura scientifica e affrontati nel mondo produttivo.

• Evoluzione della sostenibilità nelle sintesi industriali sulla base di esempi selezionati.• Evoluzione dei concetti di chimica 'verde' e chimica sostenibile.• Punti comuni e differenze tra chimica 'verde' e chimica sostenibile.• Descrizione delle principali risorse rinnovabili idonee a sostituire il petrolio come principale fonte di materia prima per l'industria chimica con particolare riferimento alla struttura dei materiali lignocellulosici.• Il concetto di bioraffineria con esempi e applicazioni in Italia e in Europa, anche alla luce della economia circolare.• Sintesi di prodotti chimici da fonti rinnovabili con processi sostenibili.• Concetti sostenibili e/o ‘verdi’ per l'esecuzione di reazioni chimiche, ad esempio la chimica a flusso.• Processi sostenibili nei campi correlati alla chimica: dispositivi point-of-care, organ-on-a-chip, organismi modello.• Sintesi e vantaggi di nanomateriali sostenibili e aspetti normativi associati.• Sintesi di nuovi materiali biodegradabili e non biodegradabili a partire da fonti rinnovabili con processi sostenibili.• Riciclo, downcycling e upcycling come strumenti per l'economia circolare.• L'integrazione dei processi sostenibili all'interno dell'economia circolare e la loro costruzione.• Descrizione delle sfide legate al riciclo e al riutilizzo di vari materiali, anche metalli preziosi; concetto di urban mining.• Attività minerarie sostenibili.• Distribuzione di elementi in vari ambienti utilizzando cicli (antro)biogeochimici.• Casi studio.

L'esame finale consiste in una prova orale alla fine del corso, con votazione tra 18-30/30 e lode, che consiste nella discussione di vari argomenti discussi durante le lezioni, collegando i concetti ad un processo industriale o ad un nuovo processo di bioraffineria o green chemistry presentato in una revista scientifica, per arrivare ad una critica valutazione del processo presentato dal punto di vista della sostenibilita' complessiva.La discussione dell'esame si base su una breve presentazione powerpoint di durata 10 minuti che deve essere preparata dallo studente per l'esame; l'articolo e/o la documentazione del processo da valutare sara' inviato allo studente una settimana prima dell'esame. Il punteggio finale sarà compreso tra 18/30 e 30/30 e lode, sulla base della valutazione complessiva, tenendo conto dei seguenti criteri:conoscenza concettuale e capacità di comprensionecapacità di applicare conoscenza e comprensionecapacità comunicative e argomentativecapacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Votazione < 18Conoscenza e Comprensione: Lo studente identifica solo parzialmente le caratteristiche dei concetti. Le connessioni tra i concetti risultano frammentarie e scarsamente supportate da conoscenze teoriche.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente individua solo alcuni elementi rilevanti in un fenomeno, senza riuscire a integrarli in un’analisi organica.Capacità comunicative e argomentative: Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione essenziale, priva di articolazione logica e caratterizzata da numerose imprecisioni espositive.Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione: Lo studente riesce a ricostruire solo alcuni aspetti del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Votazione 18-22Conoscenza e Comprensione: Lo studente riconosce e restituisce la maggior parte delle caratteristiche concettuali e riesce a fornirne una spiegazione relativamente coerente, sebbene con qualche imprecisione. I riferimenti teorici sono presenti ma non sempre in modo rigoroso.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente è in grado di riconoscere un numero significativo di elementi e di fornire una spiegazione parziale, pur evidenziando alcune lacune nell’analisi.Capacità comunicative e argomentative: Nella prova orale lo studente costruisce un’argomentazione di base, dotata di una struttura minima ma con alcune imprecisioni.Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione: Lo studente dimostra una consapevolezza di base del proprio percorso di apprendimento, riuscendo a tracciare collegamenti essenziali tra le esperienze formative, sebbene con alcune imprecisioni. Votazione 23-27Conoscenza e Comprensione: Lo studente dimostra una comprensione approfondita delle caratteristiche concettuali. Nella prova orale le spiegazioni risultano ben articolate e supportate da un uso adeguato dei riferimenti teorici.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente individua con precisione gli elementi essenziali di un fenomeno. L’applicazione delle conoscenze avviene con un rigore metodologico non sempre solido.Capacità comunicative e argomentative: Nella prova orale lo studente sviluppa un’argomentazione coerente e ben organizzata, dimostrando una buona padronanza del linguaggio e una struttura logico-argomentativa solida. La comunicazione risulta chiara ed efficace.Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione: Lo studente analizza il proprio percorso di apprendimento in modo chiaro e strutturato, mettendo in evidenza relazioni significative tra le diverse tappe evolutive e dimostrando una buona capacità di riflessione critica. Votazione 28-30Conoscenza e Comprensione: Lo studente evidenzia una padronanza completa dei concetti, articolando connessioni complesse e fornendo spiegazioni esaustive. I riferimenti teorici sono utilizzati con pertinenza e rigore.Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente evidenzia una capacità avanzata di analisi di un fenomeno, individuando e interpretando in modo esaustivo tutti gli elementi salienti. L’applicazione delle conoscenze avviene con rigore metodologico, supportato da un’argomentazione solida e articolata.Capacità comunicative e argomentative: Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione solida e articolata, con un impianto logico rigoroso e un elevato livello di coerenza testuale. Il discorso è fluido e ben strutturato.Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione: Lo studente evidenzia una capacità avanzata di autoriflessione, elaborando un’analisi articolata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Le connessioni tra esperienze formative e concetti teorici risultano chiare, coerenti e rigorose.

• M. Aresta, A. Dibenedetto, F. DumeignilBiorefineries – An introductionDe Gruyter• P.T. AnastasGreen Chemistry - Theory and PracticeOxfod University Press• copia delle slide• appunti mostrati durante le lezioni e materiale aggiuntivo su argomenti selezionati, ovvero articoli scientifici, resi disponibili sul sito e-learning del corso.

Il corso ha lo scopo di condurre gli studenti verso la comprensione dei concetti fondamentali in due ambiti principali della scienza dei materiali:i) la spettroscopia ottica, ovvero lo studio della risposta dei materiali alla radiazione elettromagnetica, incluse le implicazioni per le applicazioni in fotonica, in optoelettronica e nelle comunicazioni in fibra ottica;ii) la microscopia, di cui si investigheranno i principi fondamentali e le principali tecniche per lo studio dell'infinitesimamente piccolo attraverso metodi basati su interazione luce-materia, elettroni-materia, e con approcci a scansione di sonda. Al termine del corso, lo studente avrà sviluppato una solida comprensione dei principi fondamentali che governano la propagazione della luce in diversi mezzi (conoscenza e comprensione), nonché dei fenomeni di interfaccia e di scala locale che costituiscono la base per lo studio e l'implementazione di tecniche sperimentali (applicazione di conoscenza e comprensione). Lo studente sarà in grado di valutare criticamente e selezionare i metodi spettroscopici e/o microscopici più appropriati per eseguire misure di base (autovalutazione), e sarà in grado di utilizzare un linguaggio scientifico preciso e rigoroso per comunicare efficacemente le conoscenze acquisite (capacità comunicative). Sebbene l'enfasi principale sia posta sugli aspetti fisici, il corso promuove lo sviluppo di competenze interdisciplinari, direttamente connesse ad altre aree scientifiche, tra cui, ad esempio, la biofisica e i biomateriali. Durante il corso, gli studenti sono tenuti a svolgere un ruolo proattivo nella discussione degli argomenti di loro interesse. Gli studenti acquisiranno competenze specifiche nell'approccio interdisciplinare ai materiali che, partendo dalle basi fisiche fondamentali, porta ad applicazioni emergenti allo stato dell'arte (capacita' di apprendimento).

Parte A: Spettroscopia Ottica: Fondamenti A1 - Risposta dielettrica dei solidiRipasso delle equazioni di Maxwell nel vuoto e nella materia; equazione delle onde; spettro elettromagnetico. Propagazione della luce nei materiali; funzione dielettrica complessa e indice di rifrazione; riflettanza, trasmittanza e assorbanza. Tensore dielettrico e anisotropia; equazione delle onde in mezzi anisotropi. Origine microscopica della risposta dielettrica: modelli di Lorentz e Drude; relazioni di dispersione e relazioni di Kramers-Kronig. Effetti di schermatura e correzioni di campo locale, relazioni di Lorentz-Lorenz e Clausius-Mossotti. Modelli di Cauchy e Sellmeier. Modello semiclassico della risposta dielettrica. Comportamento dielettrico di isolanti, metalli e semiconduttori. A2. Risposta Dielettrica di Interfacce e filmIntroduzione alle interfacce; coefficienti di Fresnel; trasmittanza e riflettanza a incidenza normale; angolo di Brewster. Riflessione interna totale e onde evanescenti. Lastre spesse e film sottili: film trasparenti e assorbenti; film su substrati. Interfacce multiple, strutture multistrato e metodo della matrice di trasferimento. Parte B: Spettroscopia ottica: Applicazioni B1 - Indagini sui materiali attraverso fenomeni di risonanzaInterazione della luce con la materia: assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata. Principi dei laser (sistema a quattro livelli, inversione di popolazione, soglia critica, modello a rate-equations). Misure di assorbimento e riflettività ottica. Luminescenza (fondamenti, efficienza quantistica, anti-Stokes). Luminescenza e fluorescenza risolte nel tempo. Conteggio di singoli fotoni correlato nel tempo. Emissione risolta nel tempo. Pump-Probe ottico risolta nel tempo. B2 - Introduzione alla risposta non lineare dei materiali alla radiazione elettromagneticaFondamenti della risposta non lineare; Non linearità del secondo e terzo ordine; Effetti elettroottici e Kerr; Origine della non linearità nei materiali (cristalli, vetri, polimeri). Spettroscopia di impedenza. B3- Fibre ottiche e cristalli fotoniciPropagazione delle onde in fibre ottice e fibre a reticoli di Bragg; Interferenza di Bragg in strutture planari e non planari, trasmissione e riflessione, presenza di un band-gap fotonico. Panoramica delle nanostrutture a band-gap fotonico in una e due dimensioni. Esempi di applicazioni: fibre a cristallo fotonico e generazione di supercontinuum, guide d'onda e componenti fotonici, spettroscopie ottiche, cavità laser. Parte C: Fondamenti e applicazioni della microscopiaC1 - Microscopia otticaPrincipi fondamentali dell'ottica geometrica; Diffrazione della luce e teoria di Abbe dell'imaging; Progettazione e layout di un microscopio ottico; Microscopia a fluorescenza e microscopia confocale; Oltre il limite di Abbe: microscopia a illuminazione strutturata (STED); Microscopia a super risoluzione: PALM e STORM. C2 - Microscopia elettronicaNatura ondulatoria degli elettroni e principi fondamentali dell'ottica elettronica; Interazione tra elettroni e materia. Microscopia elettronica a trasmissione (TEM): Layout di un microscopio TEM; Modalità di imaging: contrasti di ampiezza, diffrazione e fase nel TEM; TEM ad alta risoluzione; TEM a scansione. Microscopia elettronica a scansione (SEM): Layout di un microscopio SEM; Contrasto elettronico secondario e modalità di imaging. Spettroscopie elettroniche analitiche in SEM e TEM: spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX); spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS); microscopia elettronica Auger (AEM); catodoluminescenza (CL). C3 - Microscopia a scansione di sondaConcetti generali sulle tecniche di microscopia a scansione di sonda; microscopia a scansione a effetto tunnel: fenomeno dell'effetto tunnel, metodi di rilevamento, modalità di imaging e capacità spettroscopiche. Microscopia a forza atomica: forze punta-campione e scanner piezoelettrici; cantilever, metodi di rilevamento e modalità di imaging. Campi vicini ottici e SNOM. Spettroscopia Raman con punta potenziata (TERS). Parte D: Attivita' di LaboratorioEsperienze di Laboratorio per l'investigazione di materiali di interesse alla Scienza dei Materiali utilizzando le seguenti tecniche selezionate: Spettroscopia di Fotoluminescenza, Microscopia Ottica, Microscopia Elettronica a Scansione, Microscopia Elettronica a Transmissione e Microscopia a Forza Atomica.

a) Prove d'esameIl corso prevede una prova d'esame costituita da una parte scritta e una parte orale. La parte scritta e' - a sua volta - divisa in due test scritti: un test vertera' solo sulla Parte A+B, e un test vertera' solo sulla Parte C. I test scritti saranno composti da alcune domande a risposta aperta sugli argomenti trattati nel corso. Una volta superate entrambi i test scritti, si potra' accedere alla prova orale, la quale vertera' solo sulla parte D (laboratorio). La valutazione finale sarà data dalla media delle valutazioni raggiunte nelle tre prove, ciascuna secondo tutti i criteri indicati di seguito. b) Competenze valutateNelle prove in itinere e nella prova finale sono valutate le seguenti capacità: descrivere la risposta dielettrica delle principali classi di materiali ed individuare i requisiti di risposta alla radiazione elettromagnetica necessari affinché un materiale sia idoneo per specifiche funzionalità; Progettare strategie di misura per la caratterizzazione spettroscopica e microscopica delle proprietà dei materiali in relazione alle loro applicazioni. c) Criteri per la valutazioneSia nei test scritti che nei colloqui orali sono valutati i seguenti parametri:i) percentuale delle domande proposte alle quali viene data risposta corretta;ii) per ogni risposta, percentuale dei dettagli sperimentali e teorici forniti dallo studente rispetto a quelli esposti, discussi ed applicati durante il corso;iii) per ogni argomento proposto durante la prova, percentuale dei commenti sugli aspetti applicativi rispetto a quelli discussi e compresi nei contenuti del programma. Per tutti gli appelli d'esame in ogni sessione sara' possibile sempre sostenere entrambi i test scritti.

Parte AF. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972) [Dielectric response of solids]M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010) [Dielectric response of solids]K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier [Dielectric response of solids]J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015) [Dielectric response of interfaces and stacks]O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2024) [Dielectric response of thin films] Parte BSvelto, Orazio. Principles of Lasers. New York: Springer, 2010. [Lasers]J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley [Resonance Phenomena]H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy (Springer, 2009) [Resonance Phenomena]B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley [Fiber Optics and Non-linear Optics]J.D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, Photonic Crystals, Princeton University Press [Photonic Crystals] Parte CD. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001. [Optical Microscopy]D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009. [TEM and Electron Spectroscopies]R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008. [TEM and SEM]E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003. [AFM and STM] Risorse aggiuntive:Slides, articoli scientifici, tabelle, grafici e diagrammi fornite dal docente saranno disponibili sulla piattaforma e-learning.

L'obiettivo del corso è fornire alcuni strumenti di base dell'analisi matematica, in particolare dell'analisi di Fourier e dell'analisi complessa, utili nello studio delle equazioni differenziali della fisica classica e della meccanica quantistica.I risultati di apprendimento attesi includono: La conoscenza e la comprensione delle definizioni e degli enunciati fondamentali della teoria di Fourier e dell'analisi complessa di base, nonché degli argomenti di alcune dimostrazioni; la conoscenza e la comprensione di alcune classi di esempi fondamentali a cui la teoria si applica. La capacità di applicare queste conoscenze alla risoluzione di esercizi e problemi semplici, calcolando serie di Fourier e trasformate di Fourier di numerose funzioni e distribuzioni comuni, nonché integrali, residui e serie di potenze di funzioni olomorfe e meromorfe, e di interpretarne i risultati; La capacità di riconoscere quali metodi di analisi di Fourier possono essere applicati in esempi e contesti specifici, in particolare nella risoluzione di determinate classi di equazioni differenziali tramite trasformata di Fourier, nonché la capacità di valutare quale di questi metodi abbia maggiori probabilità di successo; Capacità di comunicare e spiegare in modo chiaro e preciso sia gli aspetti teorici del corso che le loro applicazioni a situazioni specifiche. Una maggiore comprensione della struttura formale della matematica, di come questa possa essere utile nelle applicazioni, nonché la capacità di apprendere ulteriori tecniche matematiche quando necessario.

Serie di FourierCoefficienti e serie di Fourier in forma reale e complessa. Teorema di Dirichlet. Formula di Parseval.Analisi complessaFunzioni complesse. Funzioni olomorfe e funzioni armoniche. Teorema di Cauchy. Serie di Laurent. Teorema dei residui. Lemma di Jordan. Calcolo di integrali mediante il teorema dei residui.Trasformata di Fourier ITrasformata e antitrasformata di Fourier classica. Proprietà della trasformata di Fourier. Formula di Parseval. Funzioni gaussiane. Calcolo di alcune trasformate di Fourier con il teorema dei residui.DistribuzioniSpazio di Schwartz. Distribuzioni temperate. Operazioni e derivate di distribuzioni. Distribuzione delta di Dirac.Trasformata di Fourier IITrasformata di Fourier di distribuzioni temperate. Convoluzione. Applicazioni alla risoluzione di alcune equazioni differenziali parziali.

Esame scritto, consistente in domande aperte sulla soluzione di esercizi, problemi o sulla teoria del corso. Voto: 30/30.L'esame orale in generale non è obbligatorio. Tuttavia, può essere richiesto dallo studente o dal docente per confermare o modificare il punteggio ottenuto nello scritto. Gli esami orali consistono in: discussione dell'esame scritto; domande su definizioni, enunciati e dimostrazioni (selezionate) di teoremi; può essere richiesta la soluzione di ulteriori esercizi.Gli esami mirano a verificare il livello di conoscenza, l'autonomia di giudizio dello studente e le sue capacità comunicative.Non sono previste prove parziali in corso.

L'unico materiale obbligatorio è costituito dagli appunti delle lezioni preparati dal docente, che saranno resi disponibili nell'e-learning.Questi appunti possono essere integrati da libri di testo, come ad esempio:Advanced engineering mathematics / Erwin Kreyszig. Wiley 10. ed. 2011 (disponibile su Internet Archive all'indirizzo )Methods of Applied Mathematics with a MATLAB Overview / John H. Davis. Birkhauser (disponibile come ebook presso la Biblioteca Bicocca)Applied Mathematics / Gerald Dennis Mahan. Kluwer 2002 (disponibile come ebook presso la Biblioteca Bicocca)K. F. Riley, M. P. Hobson e S. J. Bence. Mathematical Methods for Physics and Engineering, Cambridge University Press (disponibile solo in formato cartaceo presso la Biblioteca Bicocca)Advanced engineering mathematics / K.A. Stroud. Palgrave Macmillan. 6. ed. 2020. 978-1352010251

Conoscere e comprendere le peculiari proprietà dei materiali metallici, e delle leghe, i principali processi che avvengono in esse (nucleazione di difetti, diffusione atomica, trasformazioni di fase) e il ruolo degli elementi metallici nelle applicazioni funzionali, con una attenzione alla relativa scarsità e al loro riciclo. In sintesi, gli studenti acquisiranno: Conoscenza e capacità di comprensione della termodinamica e della cinetica che presiedono i processi fisici nei metalli (metallurgia fisica) Conoscenza e capacità di comprensione applicate nei processi di sintesi e recupero dei metalli rari nei rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE) Autonomia di giudizio nell'utilizzo di acuni metalli o di altri nelle principali tecnologie dei prodotti industriali. Abilità comunicative nel contesto dei diagrammi di fase che presiedono la progettazione di nuove leghe metalliche, o composti intermetallici. Capacità di apprendere nuovi contesti di materiali non trattati nel corso, attraverso la conoscenza delle metodologie termodinamiche del tutto generali che hanno assimilato nelle lezioni.

INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI METALLI• Elementi di proprietà macroscopiche, strutturali e funzionali• Leghe e composti intermetallici• Energia di coesione di metalli semplici• Stabilità strutturale di metalli semplici• Energia di coesione nei metalli di transizione• Stabilità strutturale dei metalli di transizione• Richiami di termodinamica• Richiami di termodinamica e cinetica• Potenziale interatomico per la formazione di vacanze METALLURGIA FISICA• Densità di equilibrio di vacanze e interstiziali• Dislocazioni I• Dislocazioni II• Dislocazioni III• Dislocazioni IV• Superfici metalliche• Interfacce nei metalli• Fondamenti dei diagrammi di stato• Energia libera di miscelazione• Equilibrio tra due fasi• Sistemi con piena solubilità solida• Sistemi con gap di miscibilità• Diagrammi di stato significativi• Fondamenti della diffusione nei solidi• Il coefficiente di diffusione• Potenziali chimici vs concentrazione• Sistemi di riferimento per la 2° Legge di Fick• Termodinamica irreversibile e diffusione• Contributi delle interfacce e della deformazione cristallina alla diffusione• Soluzioni analitiche per l'equazione di diffusione• Ulteriori soluzioni dell'equazione di diffusione• Classificazione delle trasformazioni di fase• Nucleazione omogenea ed eterogenea• Forma dei nuclei in funzione della deformazione• Crescita controllata dall'interfaccia• Crescita controllata dalla diffusione• Equazione di Avrami• Trasformazione continua e decomposizione spinodale I• Decomposizione spinodale II• Trasformazioni ordine-disordine• Trasformazioni martensitiche I• Trasformazioni martensitiche II• Trasformazioni martensitiche III SOSTENIBILITÀ NELLE APPLICAZIONI METALLICHE• Contenuto di metalli nei rifiuti• Esigenze strategiche di metalli nelle tecnologie della UE• Tecniche convenzionali di recupero dei metalli• Elementi di biolisciviazione• Riciclo dei rifiuti da circuiti integrati• Riciclo dei rifiuti per l'accumulo di energia

Esame orale, a partire dalla fine del corso, per nove sessioni annuali d'esame: colloquio sugli argomenti svolti a lezione attraverso tre domande aperte. Verranno valutate le competenze acquisite nelle lezioni, come descritte nei pdf delle relative presentazioni messe a disposizione degli studenti, e la capacità di argomentazione dello studente, anche attraveso l'utilizzo di grafici ed equazioni.

Testo principale: Gregory N. Haidemenopoulos, Physical Metallurgy, CRC Press 2018. Per la parte di sostenibilità: Hong Hocheng et al., Biohydrometallurgical Recycling of Metals from Industrial Wastes, second edition, CRC Press, 2025. Inoltre, tutti i pdf delle presentazioni in powerpoint delle lezioni, inclusive di alcune fonti di approfondimento suggerite, sono caricati sulla pagina e-learning del Corso.

Il corso si propone di fornire agli studenti i principi e le tecnologie elettrochimiche per la conversione dell'energia, inserendoli nel più ampio contesto dell'attuale scenario energetico. Conoscenza e comprensioneAl termine del corso, lo studente conoscerà:Concetti di base dei sistemi di conversione elettrochimica (elettroliti, elettrodi, loro integrazione nell'assemblaggio di elettrodi a membrana).Applicazione della modellistica alla conversione dell'energia: individuazione dei siti attivi e dei descrittori di attività catalitica, aspetti cinetici e termodinamici dei meccanismi di reazione.Principali tecnologie per la conversione elettrochimica dell'energia, tra cui celle a combustibile ed elettrolizzatori. Applicazione della conoscenza e della comprensioneAl termine del corso, lo studente sarà in grado di:Identificare i componenti principali delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori ad acqua.Applicare le conoscenze acquisite per la selezione dei materiali.Applicare le conoscenze acquisite per valutare criticamente la scelta dei materiali in diversi dispositivi di conversione elettrochimica dell'energia, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali. Autonomia di giudizioAl termine del corso, lo studente dovrà dimostrare la capacità di:Dimostrare la padronanza degli argomenti trattati nel corsoComprendere il principio di funzionamento di un dispositivo elettrochimico di accumulo di energiaDimostrare la capacità di analizzare criticamente i dati elettrochimici raccolti in laboratorio. Ciò include anche la capacità di organizzare i dati in un articolo scientifico. Competenze comunicativeAl termine di questa attività, lo studente sarà in grado di presentare oralmente e con adeguate competenze linguistiche gli argomenti scientifici relativi ai sistemi di conversione dell'energia. Competenze di apprendimentoAl termine del corso, lo studente sarà in grado di:Approfondire autonomamente la propria conoscenza dei materiali e dei dispositivi di conversione elettrochimica dell'energia attraverso la letteratura scientifica esistente.Aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull'evoluzione tecnologica nel campo dei sistemi di conversione elettrochimica, inclusa la sostituzione di materie prime critiche con materiali meno nobili e preziosi. Valutare criticamente informazioni e dati e, infine, supportare il processo decisionale e la risoluzione dei problemi.Sviluppare un approccio multidisciplinare (scienza dei materiali, chimica e ingegneria) e multiscala (dal livello atomico a quello di sistema) allo studio e alla comprensione dei sistemi di conversione elettrochimica dell'energia.Proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel campo delle tecnologie di conversione dell'energia.

Dalla catalisi termica all'elettrocatalisi: brevi richiami di aspetti teorici fondamentali in ambito eterogeneo catalisi ed elettrocatalisi: cinetica di reazione, meccanismo, barriere e sovrapotenziale.Qual è il vero catalizzatore? L'interazione tra esperimenti e modellistica nella caratterizzazione delle caratteristiche strutturali e chimiche del catalizzatore: definizione del sito attivo, caratterizzazione morfologica e chimica delle specie attive mediante tecniche microscopiche e spettroscopiche e modellizzazione teorica.Elettrocatalisi al lavoro: razionalizzazione dell'andamento dell'attività nella reazione di riduzione dell'ossigeno, scissione dell'acqua, reazione di evoluzione dell'idrogeno, reazione di evoluzione dell'ossigeno, elettroriduzione della CO2 e dei composti azotati: meccanismi di reazione, attività prevista, pro e contro dei vari elettrocatalizzatori.Dalle nanoparticelle ai singoli atomi: l'aspetto dimensionale di un catalizzatore. Una panoramica critica sull'uso di specie catalitiche altamente disperse. Elettrolizzatori d'acqua. Classificazione degli elettrolizzatori (elettrolizzatori AEL, PEMEL, AEMEL, SOEC, CO2). Strategie per ottimizzare i percorsi di reazione (reazione di evoluzione dell'idrogeno, reazione di evoluzione dell'ossigeno, elettroriduzione della CO2).Individuazione delle prestazioni, curve di polarizzazione, perdite, problemi di durabilità. Effetto dei parametri operazionali (es. T, P) sull'elettrochimica. Materiali organici, inorganici e ibridi per elettrocatalizzatori e membrane.Fabbricazione di architetture di elettrocatalizzatori, membrane polimeriche e loro integrazione nell'assemblaggio di membrane ed elettrodi. Identificazione delle lacune e proposte di soluzioni. Sostituzione di materie prime critiche (es. Pt, Ir e Co) e composti fluorurati. Operazioni del dispositivo.Celle a combustibile. Classificazione delle celle a combustibile funzionanti con materie prime gassose (PEMFC, AEMFC, AFC, MCFC, SOFC) e liquide (DMFC, DEFC, DFAFC, ecc.). Strategie per ottimizzare le vie di reazione (reazione di ossidazione dell'idrogeno, reazione di ossidazione dell'alcool, reazione di riduzione dell'ossigeno). Individuazione delle prestazioni, curve di polarizzazione, perdite, problemi di durabilità. Effetto dei parametri operativi (es. T, P, ecc.) sull'elettrochimica. Materiali organici, inorganici e ibridi per elettrocatalizzatori e membrane. Fabbricazione di architetture di elettrocatalizzatori, membrane polimeriche e loro integrazione nell'assemblaggio di membrane ed elettrodi. Identificazione delle lacune e proposte di soluzioni. Sostituzione di materie prime critiche (es. Pt e Co) e composti fluorurati. Operazioni del dispositivo.

Esame orale, basato sulla discussione della relazione finale, seguita da alcune domande generali sugli argomenti del corso.Non sono previste prove in itinere intermedie.Verrà valutata la modalità di presentazione, la conoscenza dell'argomento e la capacità a rispondere alle domande.

Slide proiettata a lezione e capitoli selezionati dei seguenti libri: • Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition)• IRENA Report (IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5oC Climate Goal, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi)• Fuller and Harb, Electrochemical Engineering, Wiley 2018• Pei Kang Shen, Chao-Yang Wang, San Ping Jiang, Xueliang Sun, Jiujun Zhang. Electrochemical Energy Advanced Materials and Technologies. 2017. CRC Press• F. Marken, D. Fermin. Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Overcoming the Limitations of Photosynthesis. RSC Publishing. 2018• S. Cosnier. Bioelectrochemistry: Design and Applications of Biomaterials. Publisher: De Gruyter. Edited by Serge Cosnier. ISBN 978-3-11-056898-1. DOI : 10.1515/9783110570526-010• Xu, Kang “Electrolytes, Interfaces and Interphases Fundamentals and Applications in Batteries”, RSC Publishing

Il corso verte sui fondamenti fisici dei semiconduttori molecolari organici, come molecole coniugate, polimeri e materiali ibridi avanzati, impiegati in fotonica ed elettronica. Nella prima parte del corso, analizzeremo la descrizione quantomeccanica delle proprietà elettroniche di questi materiali, dal livello della singola molecola fino agli aggregati e ai solidi, nonché i principali meccanismi che regolano il trasporto di energia e carica in questi sistemi. Nella seconda parte, ci concentreremo sugli aspetti più applicativi, con una panoramica sulla tecnologia OLED, il fotovoltaico, il laser, le tecniche di imaging a fluorescenza ad altissima risoluzione e la scintillazione per il rilevamento di radiazioni ionizzanti, nonché sulle applicazioni biomediche. In dettaglio, gli obbiettivi didattici sono: Conoscenza e capacità di comprensione (DnD 1).Il corso si propone di insegnare i principi fisici alla base delle proprietà elettroniche, ottiche e di luminescenza dei semiconduttori molecolari. Conoscenza e capacità di comprensione applicate. (DnD 2).Le conoscenze apprese verranno applicate alle molecole singole, cristalli molecolari,sistemi solidi disordinati, polimeri coniugati e sistemi ibridi, e il loro ruolo nella tecnologie dei dispostivi basati su materiali coniugati. Autonomia di giudizio (DnD 3). Abilità comunicative (DnD 4).Ogni lezione comprende una parte di discussione aperta con il docente in modo da verificare e approfondire le conoscenze acquisite, la capacità critica di individuare le informazioni più cruciali. e la capacità di esporle e trasmetterle. Capacità di apprendere (DnD 5).Gli articoli scientifici a complemento delle lezioni saranno discussi anche come esempio di ricerca in letteratura per proseguire/approfondire gli argomenti trattati.

STATI ELETTRONICI DI MOLECOLE E POLIMERI POLICONIUGATI:Modello dell’elettrone libero, modello di Hückel. Struttura a bande dei polimeri coniugati. Approssimazione monoelettronica: hamiltoniano di Su-Shrieffer-Heeger. Interazione elettrone-fonone e gap di Peierls. Solitoni, polaroni, bipolari. Correlazione elettronica: hamiltoniano di Hubbard. PROPRIETÀ OTTICHE LINEARI:Assorbimento ed emissione di molecole coniugate. Coefficienti di Einstein e formula di Strickler-Berg. Singoletti e tripletti. Calcolo degli spettri ottici con il metodo “tight binding”. Calcolo degli elementi di matrice di transizione. Regola di Kasha. Processi non radiativi. Tempi di vita. Efficienza quantica della fotoluminescenza e sua misura. STATI ECCITATI NEI CRISTALLI MOLECOLARI:Stati eccitati negli aggregati molecolari: classificazione degli eccitoni (Frenkel, a trasferimento di carica, Wannier). Delocalizzazione ed energia di legame: confronto tra materiali organici e inorganici. Calcolo dell’energia degli eccitoni. Scissione di Davydov. Meccanismi di generazione degli eccitoni. Mobilità degli eccitoni. Trasferimento di energia coerente e incoerente. Trasferimento di energia di Foerster e Dexter. Teire di Marcus per il trasporto di carica. Antenne fotoniche. ELETTROLUMINESCENZA E DISPOSITIVI LED:Architettura di un dispositivo prototipo e diagramma dei livelli energetici. Iniezione e trasporto di carica. Generazione e ricombinazione degli eccitoni. Microcavità. ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE:Fisica e architettura dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Raccolta della luce, separazione e trasporto di carica. Celle solari organiche e polimeriche e loro architettura, separazione di carica: donatori e accettori. Eterogiunzioni planari e “bulk”. Efficienza. Celle fotoelettrochimiche sensibilizzate con coloranti (Graetzel). Ottimizzazione della raccolta della luce solare: processi di “upconversion” e “downconversion”. Laser basati su semiconduttori organici. Principi e uso delle molecole organiche nelle tecniche di imaging a fluorescenza e di super-risoluzione. Macromolecole, biomolecole e supermolecole e il loro significato in fisica, chimica e biologia. Impiego delle molecole per fotoreazioni in biologia. Fisica ed uso dei processi di scintillationi in materili coniugati luminescenti

L’esame orale è finalizzato a verificare la capacità degli studenti:i) di modellare e discutere le proprietà delle molecole e dei materiali organici;ii) di analizzare i processi ottici ed elettrici che avvengono in questa classe di materiali;iii) di descrivere il funzionamento, le peculiarità e i limiti dei dispositivi elettronici e fotonici organici. L’esame consisterà in una serie di domande riguardanti:a) strettamente il programma del corso, per valutare le conoscenze acquisite sui concetti generali e sui tipi di materiali presentati (DnD 1, 2, 5);b) domande più orientate all’interpretazione personale e alla proposta di possibili soluzioni relative ai dispositivi a base organica discussi durante le lezioni (DnD 3, 4). La graduazione dei voti sarà la seguente:< 18: votazione insufficiente; non raggiunto il livello minimo di preparazione;18-21: preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, capacità di elaborazione critica limitata;22-24: preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma limitata, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;25-27: preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;28-30/30L: preparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata.

J. M. André et. al.," Quantum chemistry aided design of organic polymers" M. Pope C. E. Swenberg, "Electronic processes in organic crystals" Diversi articoli scientifici forniti dal docente come complemento alle lezioni.

ll corso è diviso in due parti:La prima parte è incentrata sui concetti fondamentali della progettazione e preparazione di materiali nanostrutturati e nanoparticelle e sull'effetto dei fattori dimensionali e di forma sulle proprietà dei materiali. Verranno utilizzate strategie di autoassemblaggio e templataggio e lo sfruttamento delle interazioni per la creazione di materiali con funzioni specifiche, a partire da elementi costruttivi su scala molecolare fino a strutture complesse con organizzazione gerarchica su diverse scale di dimensione. Inoltre, il programma mira ad applicare gli approcci nanotecnologici che hanno un impatto sui processi per produrre materiali con proprietà migliorate.La seconda parte è incentrata sull'applicazione di materiali nanostrutturati e nanoparticelle nel campo della nanomedicina. Il corso illustrerà l'impatto che i nanomateriali hanno nel progresso della medicina e dell'assistenza sanitaria, compreso il loro ruolo nella fornitura di terapie, ingegneria tissutale e tecniche di biosensing/diagnosi. Verranno presentate diverse classi di nanomateriali organici e inorganici e strategie di funzionalizzazione chimica di superficie per ottenere proprietà stealth e per indurre il targeting attivo e selettivo della cellula malata. Verranno inoltre discusse applicazioni biomediche innovative delle nanoparticelle (ad es. ipertermia, terapia fotodinamica, uso della radiazione Cerenkov). Conoscenze e capacità di comprensioneAl termine del corso lo studente conosce i principali metodi di preparazione e caratterizzazione dei nanomateriali, delle nanomacchine e dei materiali porosi. Inoltre le principali tecniche analitiche, specialmente la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare in soluzione e allo stato solido, la Spettroscopia Infrarossa, la Spettroscopia UV-vis, i metodi calorimetrici e termogravimetrici, e la diffrazione di raggi-X da cristallo singolo e da polveri policristalline. Conoscenza e comprensioneAl termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze su:• principali metodi di sintesi convenzionali• strategie sintetiche di ultima generazione per la produzione di nanomateriali innovativi• relazioni proprietà-struttura nei nanomateriali Applicare conoscenza e comprensioneAl termine del corso lo studente sarà in grado di descrivere i principali approcci sintetici e i metodi di caratterizzazione più idoneiper modulare le proprietà dei nanomateriali per usi scientifici e applicativi. Autonomia di giudizioLo studente sarà in grado di orientarsi nel campo dei nanomateriali sia in termini di struttura chimica, metodi di sintesi convenzionalie innovativi, sia in termini di proprietà dei nanomateriali. Competenze comunicativeLo studente sarà in grado di esprimere gli argomenti trattati durante il corso con competenze linguistiche adeguate alle nanoscienze. Capacità di apprendimentoLo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite durante il corso per comprendere gli argomenti trattati nellaletteratura scientifica e brevettuale nel campo dei nanomateriali innovativi.

Principi costruttivi dei materiali nanostrutturati, assemblaggio gerarchico e metodi per guidare l'autoassemblaggioProgettazione e sintesi di elementi molecolari con dimensioni e forma predeterminate, composizione e funzionalità per la fabbricazione di materiali nanostrutturati e per la costruzione di materiali molecolari e ibridiMetodi per la preparazione di nanoparticelle, nanotubi, nanotubi e nanofiliSintesi di modelli per la fabbricazione di materiali nanostrutturati, modulazione dell'interfaccia e costruzione di materiali ibridiNanomacchine artificiali e nanointerrurrori allo stato solido e legame meccanicoApprocci specifici per caratterizzare sistemi nanometriciPrincipali applicazioni dei materiali nanostrutturati nel campo dell'energia, dell'elettronica, dell'automotive, del sensing per riconoscimento molecolare eccMateriali nanoporosi: micro e ultra-micro porosità, elevata area superficiale, elevata capacità, funzionalizzazione, assorbimento selettivo Cristalli Molecolari, Strutture metallo-organiche, Strutture organiche covalenti Principi di fabbricazione Confinamento molecolare e reazioni chimiche nei nanospazi Applicazioni ambientali: cattura gas, purificazione e sequestro gas (CO2), stoccaggio gas (H2 e CH4) Cattura dell'acqua e di inquinanti Vettori di farmaciNanotecnologia nell'industria petrolifera e del gas: separazione e recupero sostenibili di petrolio e gas. Seconda parte:Concetti base di nanomedicina e nanotecnologiaClassi di materiali nanostrutturati e nanoparticelle (es. nanotubi di carbonio, liposomi, nanoparticelle inorganiche, punti quantici, NP polimeriche, ecc.)Rivestimento per biocompatibilità e proprietà invisibiliCaratterizzazione di nanosistemi in ambiente fisiologico: dynamic light scattering (DLS) e potenziale ZetaNanosistemi per la somministrazione di farmaciNanosistemi per il bioimagingNanosistemi per la terapiaStimoli sensibili e nanomateriali intelligentiTargeting passivo: Permeabilità e ritenzione migliorate (EPR)Targeting attivo: legame ligando/recettoreTerapia fotodinamica (radiazione Cerenkov)Ipertermia con nanoparticelle d'oroNanoparticelle multifunzionaliTossicità dei nanomateriali

L'esame orale consiste nella valutazione delle conoscenze acquisite dallo studente nel campo delle nanoscienze, con particolare attenzione alla sintesi, alla struttura e alle proprietà dei nanomateriali. L'autonomia di analisi e giudizio, nonché la capacità di esposizione saranno valutate secondo i seguenti criteri:18-20/30: preparazione su un numero limitato di argomenti trattati durante il corso, con limitata capacità di discussione e analisi; capacità di presentazione e lessico non sempre corretti, con limitata capacità di elaborazione critica.21-23/30: preparazione parziale sugli argomenti trattati durante il corso, limitata capacità di autoanalisi; utilizzo di un lessico corretto ma non del tutto accurato e chiaro; capacità di presentazione incerte.24-27/30: preparazione su un'ampia gamma di argomenti trattati durante il corso, capacità di autoargomentazione e analisi critica; capacità di applicare le conoscenze generali al contesto specifico della scienza dei polimeri e di collegare gli argomenti studiati a casi concreti; utilizzo di un lessico corretto e competenza nell'uso del linguaggio scientifico.28-30/30L: preparazione completa ed esaustiva su tutti gli argomenti trattati durante il corso; autonomia di analisi e giudizio critico sugli argomenti trattati a lezione; capacità di collegare gli argomenti studiati a casi concreti e a diversi contesti scientifici; piena padronanza del lessico scientifico e capacità di presentazione rigorosa, chiara e articolata; eccellente capacità di argomentazione e riflessione.

Concepts of Nanochemistry (G. A. Ozin, L. Cademartiri) Wiley Nanoporous Materials (K. Kaneko, F. Rodriguez-Reinoso Eds.) Springer 2019 Crystal Engineering A Textbook (Gautam R Desiraju, J. J. Vittal, A. Ramanan) Nanomaterials and Nanotechnology in Medicine (Visakh P.M.) Wiley Fundamentals of Nanomedicine (J. F. Leary) Cambridge University Press Appunti del docente (presentazioni power point di supporto alla attività didattica)

L'obiettivo del corso è fornire conoscenze approfondite su varie classi di nanomateriali che costituiranno gli ingredienti funzionali di future tecnologie nanotecnologiche. Per ogni classe presa in considerazione sono trattate in dettaglio le tecniche sintetiche ed i meccanismi fisici che ne determinano le funzionalità con particolare attenzione ai processi direttamente riconducibili ad effetti di nanostrutturazione quali confinamento quantico e dielettrico. Applicazioni di nanomateriali in vari campi tecnologici sono trattati discutendo nel dettaglio i meccanismi di funzionamento e le possibili strategia di materials design per ottimizzarne le prestazioni. Aspetti legislativi e di salvaguardia ambientale legati alla produzione ed uso di nanomateriali sono discussi.

0. Introduzione alle Nanotecnologie - Cenni storici - Implicazioni sulla salute e ambientali - Cenni di normative sui nanomateriali 1. Cluster metallici: - Tecniche sintetiche top-down e bottom-up - Strategie di funzionalizzazione superficiale - Struttura elettronica e effetti dimensionali - Proprietà ottiche e meccanismi fotofisici - Dispositivi optoelettronici, sensoristica, markers biologici per diagnostica cellulare. 2. Nanoparticelle plasmoniche: - Principi base della plasmonica in sistemi a bassa dimensionalità - Concetto di confinamento dielettrico - Frequenza di risonanza ed effetti di taglia ed ambientali - Proprietà ottiche di nanoparticelle plasmoniche in relazione alla composizione e dimensionalità - Effetto di Coulomb blockade e concetto di quanto di carica - Applicazioni in termoterapia e sensoristica 3. Nanocristalli a semiconduttore a confinamento quantico - Sintesi colloidale, meccanismi - Chimica superficiale - Concetto di densità degli stati in 3D e in sistemi a confinamento quantico 2D, 1D e 0D. - Proprietà elettroniche di quantum dots colloidali - Struttura elettronica ed eccitonica fine - Effetti di taglia, dimensione e forma sulle proprietà elettroniche - Criteri di eterostrutturazione e ingegnerizzazione delle funzioni d'onda - Fotofisica dettagliata - Trasporto elettrico - Drogaggio e proprietà magnetiche. - Applicazione in LASER, LED, bioimaging e energie rinnovabili

Trattazione di 2-3 articoli di letteratura su argomento a scelta affine con i contenuti del corso tramite presentazione tipo powerpoint con slides (15-20, 20-25 minuti) da parte dello studente seguita da esame orale sul programma del corso. Non sono previste prove in itinere. Saranno valutate: conoscenza e comprensione degli argomenti del corso, capacità espositiva, capacità di analisi critica della letteratura presa in esame, visione d'insieme delle problematiche associate alle nanotecnologie.

Testi suggeriti dal docente, lucidi e articoli scientifici di rassegna.

Il corso si pone l’obiettivo di approfondire e consolidare concetti di base della chimica-fisica dei solidi, dei difetti e superfici dei solidi stessi con problematiche applicative nei semiconduttori. Conoscenze e capacità di comprensioneAl termine del corso lo studente conosce:-la tipologia di difetti e il loro ruolo nelle proprietà dei materiali e dei semiconduttori in particolare le principali tecniche di caratterizzazione per identificare i difetti nei materiali e di superfici le relazioni tra i principali metodi di crescita di tipo bulk e di film sottili per semiconduttori e l’introduzione di difettualità nei materiali Conoscenza e capacità di comprensione applicateAl termine del corso lo studente è in grado di: applicare una metodologia per comprendere e prevedere il ruolo dei difetti sulle proprietà dei materiali attraverso il concetto di soluzione solida diluita interpretare criticamente i risultati di analisi di proprietà di bulk e superficiali di materiali, analisi ottenute mediante tecniche quali SEM, EDX, XPS, SIMS. capire come ogni singola tecnica di crescita non è esente dall’introdurre difetti ed impurezze in un materiale che tali difetti possono modificarne proprietà e funzionalità. comprendere l’importanza e il ruolo dei difetti nella Scienza dei Materiali Autonomia di giudizio Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di scegliere il metodo o la tecnica di caratterizzazione dei solidi più adatta alla proprietà o al fenomeno che vuole investigare comprendere la possibile fonte di impurezza o difetto durante il processo di crescita o di realizzazione di un dispositivo e le modalità per evitarla. Abilità comunicative Al termine del corso lo studente sarà in grado di : Esporre oralmente con proprietà di linguaggio argomenti scientifici di chimica dello stato solido e (si veda modalità di esame ) saper descrivere e presentare in modo chiaro e sintetico un argomento tratto da un articolo scientifico inerente le tematiche dell’insegnamento Capacità di apprendere Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante la difettualità dei materiali e delle relazioni tra processi di crescita difettualità e proprietà di un materiale

Difetti nei materiali: di punto e difetti estesi (dislocazioni, bordi grano, antiphase domains, stacking faults) e loro interazioni nei sistemi reali. Superfici libere: elementi di cristallografia delle superfici. Rilassamento e ricostruzione delle superfici nel vuoto. Stima dell’energia superficiale. Fenomeni di adsorbimento: fisisorbimento e chemisorbimento, modelli, termodinamica e cinetica dell’adsorbimento, isoterme di adsorbimento (isoterme di Languimir e di BET). Principali metodi sperimentali di analisi delle superfici e della difettualità (Tecniche XPS, SIMS, DLTS, misure di BET). Tecniche di crescita di materiali massivi (monocristallini e policristallini) con attenzione alla relazione tra difettualità e condizioni di crescita. Tecniche di deposizione di film sottili (deposizione per evaporazione, processi di sputtering, crescite per Chemical Vapor Deposition, Epitassia da fasci molecolari , deposizione film Langmuir-Blodgett) e loro impatto sulla difettualità del materiale. Epitassia e dislocazioni di misfit. Criteri di scelta e di ottimizzazione dei processi. Per ogni argomento verranno trattati diversi case studies. Particolare spazio verrà data alla tecnologia del silicio

La verifica del profitto si svolge attraverso un colloquio orale sugli argomenti svolti a lezione e di una presentazione da fare in classe . Essa è volta a valutare la preparazione raggiunta in termini di conoscenza teorica degli argomenti trattati durante le lezioni e di alcune loro applicazioni, l’autonomia di analisi e giudizio e le capacità espositive dello studente. La votazione viene espressa in trentesimi con eventuale lode e valutata in base alla completezza e qualità delle risposte fornite dallo studente.Gli studenti devono verso la fine del corso fare una presentazione in classe di 15 minuti su un articolo scientifico inerente al corso, scelto dal singolo studente da una lista fornita dal docente generalmente alla fine di Marzo. Tale presentazione conta per il 30% del voto finale.

Tutte le lezioni sono supportate da slides che possono essere scaricate dalla piattaforma e-learning. I seguenti libri di testo, disponibili dalla biblioteca di Ateneo, sono suggeriti per l’approfondimento delle tematiche delle lezioni:S. Eliot The Physics and Chemistry of solids WileyJ. D. Plummer , M.D. Deal, P.B. Griffin Silicon VLSI Technology Prentice HallJ. B. Hudson Surface science an introductionA. W. Adamson, A.P. Gast Physical Chemistry of Surfaces 6th ed. WileyHans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl. Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition. ISBN: 978-3-527-41216-7 March 2013 495 Pages Wiley (try to use 3rd edition and not the 1st edition, since the book has been extensively revised and corrected).Geoffrey Barnes, Ian Gentle. Interfacial Science: An Introduction, 2nd Edition. ISBN: 9780199571185. Oxford.U.W. Pohl, Epitaxy of semiconductors, Springer

Il corso fornirà competenze fonadmentali nell'area "MATERIALI", in partilare nella classe dei materiali semiconduttori. Gli obiettivi di questo corso sono: 1) fornire conoscenze e comprensione in alcune aree chiave della fisica dei semiconduttori: nanoelettronica, spintronica, optoelettronica, tecnologie quantistiche, sensori, raccolta e produzione di energia; 2) fornire strumenti adeguati per analizzare fenomeni complessi dal punto di vista fondamentale; 3) aiutare gli studenti a sviluppare un pensiero critico nell'analisi delle proprietà dei semiconduttori; 4) supportare gli studenti nell'apprendimento di come interagire con professionisti accademici e di ricerca nel campo della fisica dei semiconduttori, ovvero attraverso un linguaggio tecnico e scientifico appropriato, strumenti di presentazione e relative competenze; 5) padroneggiare competenze scientifiche per consentire agli studenti di analizzare criticamente la letteratura scientifica e impegnarsi con i moderni sviluppi della fisica dei semiconduttori. Dopo un riepilogo dei materiali tecnologicamente rilevanti e delle loro proprietà e un richiamo ai concetti di fisica dello stato solido, come la struttura cristallina, le vibrazioni reticolari e la struttura a bande, verranno presentati come nucleo del corso argomenti specifici dei semiconduttori quali la massa efficace e la sua determinazione sperimentale, i difetti puntuali e le loro proprietà strutturali, termodinamiche ed elettroniche, le proprietà ottiche, il trasporto di carica, i semiconduttori in condizioni di equilibrio e non equilibrio. Per il lettore interessato sono inclusi alcuni argomenti aggiuntivi (ad esempio, eterostrutture quantistiche, materiali 2D) per offrire una panoramica di alcuni punti salienti nelle tendenze attuali della fisica dei semiconduttori e stimolare ulteriori approfondimenti. Per seguire efficacemente il corso è necessaria una conoscenza preesistente di meccanica quantistica e fisica dello stato solido.

Proprietà Fondamentali• Cristalli• Difetti• Proprietà Meccaniche• Struttura a Bande• Stati di difetto elettronici• Trasporto• Proprietà Ottiche• Eterostrutture• Nanostrutture• Materiali 2D Crescita• Termodinamica e Atomistica della Crescita di Strati Epitassiali• Metodi di Epitassia• Drogaggio, Diffusione e Contatti

Le conoscenze degli studenti saranno valutate attraverso una prova orale. Il colloquio verterà sugli argomenti svolti a lezione. Verranno valutate la comprensione degli argomenti e le competenze acquisite.

M. Grundmann, The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Devices and Nanophysics, Springer Udo W. Pohl, Epitaxy of Semiconductors, Springer Copia delle slides usate a lezione

Il corso si propone di fornire agli studenti i concetti fondamentali della fisica delle nanostrutture basate su materiali molecolari organici, con particolare attenzione a quelli di interesse per applicazioni optoelettroniche. Conoscenza e comprensioneAl termine del corso lo studente conosce:• i principali concetti della fisica delle interazioni tra atomi, molecole e sistemi macroscopici• i principali effetti delle interazioni di Van der Waals nelle proprietà optoelettroniche dei solidi semiconduttori organici• le principali tecniche di deposizione dei film di semiconduttori organici• le principali applicazioni dell'elettronica organica Applicare la conoscenza e la comprensioneAl termine del corso lo studente è in grado di:• identificare il tipo di forza dominante che regola l'interazione tra diverse molecole, particelle o superfici• applicare il concetto di dimero eccitonico per prevedere l'effetto sulle forze intermolecolari in un dato solido a semiconduttore organico• riconoscere i metodi più adatti per depositare uno specifico materiale semiconduttore organico (e le possibili sfide da affrontare)• descrivere i principali processi eccitonici coinvolti in una specifica applicazione dell'elettronica organica Autonomia di giudizioAl termine del corso lo studente è in grado di:• scegliere la funzione giusta per quantificare la forza dell'interazione tra molecole, particelle o superfici• identificare gli aspetti comuni, le approssimazioni e le limitazioni delle funzioni derivate durante le lezioni Abilità comunicativeAl termine del corso, lo studente sarà in grado di trasmettere oralmente in modo efficace le conoscenze acquisite, utilizzando un linguaggio scientifico appropriato. Capacità di apprendimentoSebbene il corso tratti principalmente gli aspetti fisici fondamentali delle forze intermolecolari e il loro impatto sulle proprietà dei materiali, gli studenti svilupperanno anche una comprensione dei processi della materia soffice che sono di interesse per varie discipline, come la chimica e la biologia.

Forze intermolecolari (FI): interazioni tra atomi & molecole: Introduzione: Panoramica storica; termodinamica e statistica delle FI; FI forti: Interazioni covalenti e coulombiane (ioniche); Interazioni che coinvolgono la polarità e la polarizzazione delle molecole; Forze di van der Waals; Forze repulsive, potenziali di interazione intermolecolare totali; Interazioni speciali: legame a idrogeno, interazioni idrofobiche e idrofiliche. Forze tra particelle e superfici: Similitudini e differenze tra forze intermolecolari e forze interparticellari/intersuperficiali; Forze di van der Waals tra particelle e superfici; Colloidi e nanoparticelle: Interazioni elettrostatiche tra superfici nei liquidi; Adesione e bagnabilità. Film sottili di materiali organici (molecolari e cristallini): Eccitoni di Frenkel in cristalli molecolari; Principali meccanismi di trasferimento di energia; Trasferimento di carica; Eccitoni di tripletto. Tecniche di deposizione di film sottili e caratterizzazione: Confronto tra tecniche di deposizione/crescita da soluzione e in vuoto; Tecniche in vuoto Esempi di caratterizzazione (proprietà ottiche, morfologia); Esempi di applicazioni (LEDs, transistor, celle solari).

Esame orale, che sarà diviso in due parti:Parte 1 (60% del voto finale): Lo studente sarà interrogato su un argomento specifico selezionato tra quelli trattati nel corso. Il docente comunicherà a ciascuno studente l'argomento assegnato via e-mail 24 ore prima dell'esame.Parte 2 (40% del voto finale): Questa sezione valuta la preparazione generale dello studente sulle restanti parti del programma. Lo studente dovrà rispondere a due o tre domande su altri argomenti del corso, che potranno essere o meno collegati all'argomento assegnato nella prima parte.

Slide e articoli scientifici (forniti dal docente); J.N. Israelachvili – Intermolecular & Surface Forces; M. Pope & C.E. Svenberg – Electronic processes in organic crystals and polymers;

Un materiale quantistico è un materiale le cui proprietà elettroniche o magnetiche sono originate da effetti quantomeccanici non banali, per i quali approssimazioni semi-classiche, che non considerano il carattere completo del sistema, non offrono una descrizione soddisfacente delle peculiarità osservate. Il corso presenta i principi fisici alla base delle proprietà dei materiali quantistici, consentendo così di comprendere questi materiali in dettaglio. Verranno trattati in dettaglio diversi sistemi di materiali: dai superconduttori, il prototipo di materiale quantistico, all'effetto hall quantistico intero e agli isolanti topologici, che mostrano una stretta connessione delle loro proprietà elettroniche con invarianti derivati dalla topologia. Per ciascuna classe di materiali verranno brevemente discusse alcune applicazioni tecnologiche. ObiettiviConoscenza e comprensione: • Conoscenza dettagliata dei concetti e degli approcci di base nella ricerca sui materiali quantistici.• Comprendere i fenomeni emergenti nei materiali quantistici• Comprendere gli effetti della topologia e delle simmetrie sulle proprietà elettroniche quantistiche dei materiali Applicazione della conoscenza:• Acquisizione della capacità di applicare le nozioni teoriche apprese nel corso alla descrizione efficace di materiali quantistici. Competenze comunicative:• Acquisizione di capacità comunicative verbali e scritte in concetti avanzati di fisica quantistica. Elaborazione di giudizi:• Lo studente acquisirà la competenza di giudicare quali fenomeni ed osservabili per un dato materiale possano essere ricondotti alla sua natura quantistisca emergente. Competenze di apprendimento• Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in grado di gestire autonomamente la vasta letteratura dedicata ai materiali quantistici.

1) Introduzione:• i materiali quantistici come strumento per le moderne tecnologie quantistiche.• Panoramica dei prerequisiti del corso, dei contenuti delle lezioni, dei libri di testo/letteratura e dei metodi di valutazione.2) Superconduttori:• Interazione elettrone-fonone e coppie di Cooper• Teoria di Ginzburg-Landau• Teoria BCS della superconduttività• Effetto Josephson e SQUIDS• Q-Bit quantistici superconduttori3) Effetto Hall quantistico intero:• Livelli Landau• Teoria di Laughlin dell'effetto Hall quantistico• Perché 2D, disordine e localizzazione sono importanti• Teoria della percolazione semiclassica• Stati del bordo IQHE4) Topologia:• Fase di Berry, connessione e curvatura• Fase di Berry per gli elettroni nei cristalli• Applicazioni della fase di Berry: effetto Aharonov-Bohm, polarizzazione dei cristalli, elettroni cristallini in campo elettrico uniforme• Numeri Chern• Simmetrie di inversione temporale e di inversione: simmetria spezzata in Honeycomb Lattice• IQHE senza livelli Landau• Invarianti topologiche• Superconduttori topologici

Prova orale.Colloquio con discussione degli argomenti trattati durante le lezioni.Verrà valutata la capacità di esporre gli argomenti trattati a lezione in tutti in tutti i loro aspetti concettuali e formali incluse le derivazione dei risultati.Non sono previste valutazioni in itinere.

Le diapositive saranno messe a disposizione degli studenti attraverso la presente piattaforma e-learning. Testi principali:• Efthimios Kaxiras & John D. Joannopoulos (2019) Quantum Theory of Materials, Cambridge University Press. doi 10.1017/9781139030809:• Michael Tinkham, Introduction to superconductivity, Dover ISBN 0486435032 Per approfondimenti:• Girvin, S., & Yang, K. (2019). Modern Condensed Matter Physics. Cambridge University Press. doi:10.1017/9781316480649• P. G. De Gennes (1999) Superconductivity of Metals and Alloys, Westview Press, ISBN 0-7382-0101-4• Raffaele Resta, Geometry and Topology in Electronic Structure Theory, Notes, http://www-dft.ts.infn.it/~resta/gtse/draft.pdf• A.Bernevig with T. L. Hughes, Topological Insulators and Topological Superconductors, Princeton University Press (2013).• János K. Asbóth, László Oroszlány, András Pályi (2016). A Short Course on Topological Insulators: Band Structure and Edge States in One and Two Dimensions. Springer Articoli scientificiDiversi argomenti del corso sono anche ben presentati in articoli scientifici, come ad esempio:• Von Klitzing K (1986) The quantized Hall effect, Reviews of Modern Physics 58, 519• R. B. Laughlin (1981) Quantized Hall conductivity in two dimensions, Phys. Rev. B 23, 5632• Feliciano Giustino et al (2020) The 2021 quantum materials roadmap. J. Phys. Mater. 3 042006.• B. Keimer & J. E. Moore (2017) The physics of quantum materials. Nature Physics 13, 1045–1055.• Hasan MZ, Kane CL (2010) Colloquium: Topological insulators. Reviews of Modern Physics, 82(4):3045–3067.• Haldane FDM (1988) Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly", Phys Rev. Lett. 61, 2015

Questo corso guiderà gli studenti attraverso il campo dell'ottica quantistica, con una particolare attenzione su come implementare tecnologie come la sensoristica e la comunicazione quantistica utilizzando tecniche ottiche e circuiti fotonici. Gli studenti avranno la possibilità di conoscere i materiali e i metodi necessari per creare, manipolare e leggere gli stati quantistici della luce. Saranno discussi i principali risultati e le sfide future nel campo, tra cui la computazione quantistica fotonica e l'internet quantistica.Obiettivo principale del corso è quindi quello di fornire una conoscenza di base della descrizione quantistica della luce. Inoltre, il corso fornirà una prospettiva sperimentale su fenomeni legati all'interazione radiazione-materia. La discussione di specifiche applicazioni amplierà il background dello studente nel campo dell’ottica e fornirà approfondimenti tecnologici sui materiali per la fotonica quantistica.Questo insegnamento contribuisce in modo coerente al corso di studi attraverso i seguenti obiettivi formativi: Conoscenza, comprensione e capacità applicative: gli studenti acquisiranno conoscenze e competenze utili a descrivere le proprietà dei materiali, rendendoli così in grado di inserirsi nel campo della ricerca e dello sviluppo per la gestione delle tecnologie per l’informazione e la comunicazione. Autonomia di giudizio: gli studenti saranno indirizzati ad approfondire in modo autonomo argomenti avanzati e a formulare giudizi critici in un contesto scientifico e applicativo di frontiera, come quelle delle tecnologie quantistiche basate su fotoni. Oltre a un atteggiamento critico orientato al problem solving, il corso consentirà agli studenti di sviluppare autonomia nell’uso critico della letteratura scientifica. Abilità comunicative: gli studenti svilupperanno capacità di comunicare in modo efficace e chiaro argomenti di ricerca e sviluppo legati ai materiali avanzati e di presentare idee e concetti sia propri che presenti nella letteratura scientifica. Capacità di apprendere: gli studenti svilupperanno una robusta metodologia di lavoro che consentirà loro di apprendere in modo rapido nuovi concetti e tecniche, sia teoriche che sperimentali, nel campo dei materiali innovativi e complessi.

Statistiche fotoniche: classificazione statistica della luce, sorgenti coerenti, rumore e teoria quantistica della fotorivelazione. Quantizzazione del campo elettromagnetico: Stati di Fock e stati squeezed, fluttuazioni di vuoto e effetto Casimir, rivelazione delle onde gravitazionali. Interferometria: materiali per sorgenti e per rivelatori a singolo fotone, esperimento Hanbury Brown-Twiss, interferenza Hong-Ou-Mandel, eraser quantistico, photon bunching and anti-bunching. Crittografia quantistica: Principi di crittografia classica e quantistica, generazione quantistica di numeri casuali, distribuzione della chiave quantistica attraverso fotoni singoli, protocollo BB84. Stati entangled: coppie di fotoni entangled, test sperimentali del teorema di Bell, della disuguaglianza CHSH e del teletrasporto quantistico. Entanglement swapping. Interfacce Spin-fotone: orientamento ottico spin, internet quantistica. Applicazioni avanzate: materiali e principi per il calcolo quantistico fotonico, gate logici fotonici e boson sampler.

La modalità di verifica del profitto consiste in una prova orale finale per la verifica delle competenze, della capacità di analisi critica e delle capacità comunicative nell'ambito disciplinare del corso. A tale scopo e per raffinare le soft-skill, sarà data la possibilità aggiuntiva di preparare una presentazione breve su uno specifico argomento del corso. Non sono previste prove parziali.

Dispense del corso e articoli messi a disposizione degli studenti tramite la presente piattaforma e-learning.Testo adottato per l'insegnamento (disponibile anche in formato e-book attraverso la biblioteca d’ateneo): Mark Fox, Quantum Optics, Oxford University Press.

l corso si propone di far acquisire agli studenti conoscenza e capacità di comprensione dei concetti, dei metodi e dei modelli della fisica dei solidi cristallini, perfetti e infiniti. A questo scopo, gli argomenti sono suddivisi in due parti. Una prima parte del corso è dedicata alla trattazione di fenomeni più semplici, descritti in termini di periodicità del cristallo, senza interazione tra gli elettroni e gli ioni. Particolare attenzione sarà dedicata alla conoscenza e alla capacità di comprensione applicate delle proprietà macroscopiche sulla base di quelle microscopiche. La seconda parte comprende i fenomeni in cui gli elettroni interagiscono con il reticolo cristallino e le variazioni della sua periodicità, generando, rispettivamente, la struttura a bande dei cristalli e le proprietà di trasporto dei solidi. Alla fine di ogni macro-argomento, un'adeguata quantità di tempo sarà dedicata al ripasso, per familiarizzare con i concetti e migliorare la capacità di apprendere le derivazioni matematiche, anche attraverso una discussione con gli studenti. L'integrazione di un libro principale con la tutte le presentazioni in powerpoint delle lezioni, caricate sulla pagina e-learning del corso, è un aspetto importante del metodo didattico che mira anche a far acquisire agli studenti un linguaggio tecnico corretto e le relative abilità comunicative. In sintesi, i principali risultati raggiunti dagli studenti saranno: Conoscenza e comprensione dei concetti relativi alla periodicità del reticolo e allo spazio reciproco. Applicazione della conoscenza e della comprensione di approssimazioni e delle espansioni di Taylor per ricavare l'espressione microscopica di proprietà macroscopiche. La capacità di giudicare il potere predittivo dei modelli, in relazione ai dati sperimentali, e decidere quale teoria si adatti meglio ad essi. Abilità comunicative, basate su un uso corretto dei termini tecnici, ponendoli all'interno di una narrazione che presenti fatti e ipotesi. Capacità di apprendimento, incentivata da una ricca bibliografia e da note biografiche degli scienziati maggiormente responsabili di esperimenti, teorie, o modelli.

PARTE 1 I. Strutture cristalline e diffrazione Reticoli di Bravais e strutture cristalline notevoli Teoria della diffrazione e tecniche sperimentali Costruzione di reticolo reciproco e zona di Brillouin, in particolare per strutture FCC, BCC e HCP Calcolo della distanze tra punti ad alta simmetria nella zona di Brillouin del Silicio. II. Dinamica reticolare Elementi di dinamica reticolare: matrice delle costanti di forza e sue simmetrie, matrice dinamica ed equazioni di moto Relazioni di dispersione e spostamenti di una catena lineare biatomica Teoria della elasticità ed onde sonore Costruzione e diagonalizzazione matrice dinamica per fcc monoatomico: autovalori e displacement patterns Modi normali come modi collettivi Fononi e loro statistica. Scattering inelastico e misura della dispersione dei fononi tramite scattering neutronico III. Proprietà termiche dei solidi Densità di stati vibrazionali Calore specifico di Debye e di Einstein Potenziali anarmonici e loro effetti: espansione termica e calore specifico di oscillatore 1-D Espansione termica e parametro di Gruneisen in 3-D Conducibilità termica tramite vibrazioni reticolari in 3-D IV. Gas di elettroni liberi Modello degli elettroni liberi La statistica di Fermi-Dirac per gli elettroni Densità degli stati: definizione e calcolo per gas 3-D, 2-D e 1-D. Andamento del potenziale chimico con la temperatura Contributo elettronico al calore specifico e i fermioni pesanti Emissione termica di elettroni: fisica ed applicazioni PARTE 2 V. Bande elettroniche Potenziale periodico, equazione centrale e stati di Bloch Costruzione dello schema a bande nel caso di reticolo-vuoto Bande nel modello di elettrone quasi-libero: apertura del gap al bordo della zona di Brillouin ed interpretazione Introduzione al modello Tight-Binding (TB) Calcolo di bande nel modello TB: ruolo dei vicini e della base di orbitali atomici e integrali di hopping Costruzione e diagonalizzazione della matrice tight binding a primi vicini per silicio Interpretazione di bande reali e loro densità di stati Misura della dispersione di bande per fotoemissione risolta in angolo **VI. Trasporto elettronico di carica ** Il modello semiclassico e moto degli elettroni in banda in presenza di un campo elettrico Il tensore di massa efficace e il concetto di buca positiva L'equazione di Boltzman: bilancio tra processi di drift e quelli di scattering L'approssimazione del tempo di rilassamento per i processi di scattering Meccanismi microscopici che presiedono allo scattering di cariche La conducibilità elettrica nei metalli Dipendenza della conducibilità elettrica dalla temperatura **VII. Trasporto elettronico di calore ** Equazione di Boltzman generalizzata ai gradienti termici Trasporto di calore da elettroni e relazione di Wiederman-Franz Effetti termoelettrici (Peltier e Seebeck) e applicazioni VIII. Effetti di campi magnetici deboli e forti Campi magnetici deboli Campi magnetici forti Derivazione dei livelli energetici di Landau Proprietà magnetiche dei materiali Magnetismo degli elettroni liberi

L'esame consiste in una prova scritta con quattro domande aperte, inclusa la possibile derivazione matematica di alcuni risultati fisici, il tracciamento di grafici, o la descrizione di esperimenti. La valutazione della prova scritta viene fatta, in ordine di decrescente importanza, sulla corrispondenza della risposta alla domanda, sulla esattezza e la coerenza delle argomentazioni, e sulla ricchezza dei commenti appropriati. Il voto finale viene deciso anche sulla base di una discussione della prova scritta con lo studente, che segue di pochi giorni la pubblicazione della valutazione della prova scritta e che insiste principalmente nel richiedere completamento o correzione di quanto è carente nello scritto. Completato il Corso, vengono offerte nove sessioni annuali d'esame, previste durante le pause delle lezioni. Durante il periodo delle lezioni del Corso, tuttavia, gli studenti iscritti in quell'anno accademico avranno la possibilità di suddividere l'esame in due prove parziali in itinere, una relativa agli argomenti della Parte 1 del corso e l'altra relativa agli argomenti della Parte 2. Tali prove parziali consisteranno di una prova scritta di 3 domande aperte, con le stesse modalità di valutazione delle prove scritte di cui sopra, seguita da un breve colloquio orale di discussione sullo scritto, nelle stesse modalità di cui sopra. Per agevolare la preparazione, organizzare e spiegare le modalità d'esame e rispondere a qualsiasi domanda sugli argomenti delle lezioni, prima di ciascun esame parziale verrà organizzato un incontro con gli studenti iscritti, e aperto a tutti gli altri. Se uno studente fallisce il test sulla prima parte, avrà una (sola) ulteriore occasione di riprovarlo, prima che le lezioni della seconda parte del corso siano terminate; se fallisce il test sulla seconda parte,, avrà una (sola) ulteriore occasione di riprovarlo, entro il termine di inizio del secondo semestre.

TESTO PRINCIPALE H. IBACH AND H. LUTH, Solids State Physics, Springer Verlag CAPITOLI AGGIUNTIVI PRESI DAI SEGUENTI TESTI, COME RESI DISPONIBILI SULLA PIATTAFORMA E-LEARNING O DISPONIBILI DALLA BIBLIOTECA DI ATENEO: N.W ASHCROFT AND N.D. MERMIN, Solid State Physics, Saunders College Publishing F. BASSANI E U. GRASSANO, Fisica dello Stato Solido, Casa Editrice Boringhieri A.P. SUTTON, Electronic Structure of Materials, Oxford University Press J.R. HOOK and H.E. Hall, Solid State Physics, John Wiley & Sons

Panoramica del corsoIl corso fornisce un approccio integrato e interdisciplinare alla progettazione e alla sintesi di materiali funzionali. Colmando la chimica organica, inorganica e macromolecolare, il corso fornisce agli studenti un "kit di strumenti sintetici" completo necessario per la moderna scienza dei materiali. Visione comuneI tre moduli del corso condividono una premessa fondamentale: che la moderna scienza dei materiali richiede un approccio di progettazione strategica. Piuttosto che visualizzare le sostanze chimiche organiche, inorganiche e macromolecolari in modo isolato, questo corso enfatizza la logica sintetica comune che le collega. Gli studenti apprendono ad analizzare le relazioni struttura-proprietà per selezionare i precursori, le reazioni e le condizioni di processo ottimali necessarie per sintetizzare i materiali con proprietà elettroniche, ottiche, termiche e meccaniche su misura. Il corso promuove una mentalità di risoluzione dei problemi, concentrandosi sulla sostenibilità e l'ottimizzazione delle prestazioni in tutte le classi di materiali. Finalità ed obiettivi L'obiettivo di questo corso è quello di fornire una conoscenza dettagliata delle metodologie sintetiche per la preparazione di materiali funzionali. Mette in luce gli approcci della chimica verde, la capacità di controllare la gerarchia strutturale e la selezione dei precursori per ottenere le caratteristiche fisico-chimiche desiderate nei sistemi coniugati organici, nei solidi inorganici / ibridi e nelle architetture polimeriche avanzate. L'obiettivo finale dell'approccio multidisciplinare del corso è quello di consentire agli studenti di combinare sinergicamente strumenti e conoscenze dai tre moduli nello sviluppo di nuovi materiali. Esiti di apprendimento Al termine del corso, lo studente potrà: Conoscenza e comprensione: Padroneggiare i concetti sintetici che regolano la coniugazione, la reattività inorganica a stato solido e l'architettura macromolecolare. Correlare le vie sintetiche con le proprietà dei materiali (termico, ottico, elettrico, meccanico, magnetico). Applicare la conoscenza e la comprensione: Selezionare la strategia sintetica più appropriata (funzionalizzazione organica, lavorazione inorganica o sintesi polimerica) per ottimizzare le prestazioni dei materiali per applicazioni specifiche. Effettuare giudizi: Esporre strategie sintetiche efficienti per materiali complessi. Proporre strategie di funzionalizzazione o modifica per ottimizzare caratteristiche specifiche basate su un’analisi delle relazioni struttura-proprietà. Comunication Skills: Comunicare concetti sintetici complessi chiaramente utilizzando la terminologia specifica della chimica e della scienza dei materiali. Riassumere e criticare la letteratura scientifica / brevettuale con competenza. Abilità di apprendimento: Estendere in modo indipendente i concetti appresi a nuovi casi di studio, la gestione della letteratura tecnica e gli strumenti di ricerca per affrontare i problemi al di fuori dell'ambito diretto dell'aula.

I programmi dettagliati sono delineati nel sillabi dei singoli moduli

Il voto finale per "Strategie per la sintesi dei materiali" si basa su una prova orale progettata per valutare le conoscenze in tutti e 3 i moduli del corso, come descritto di seguito. In alternativa, la prova orale può essere sostituita da tre esami parziali, ciascuno riguardante uno dei tre moduli, da svolgere durante il periodo di erogazione del corso (da novembre a giugno, con 2 sessioni di esame per ogni esame parziale). Una volta che lo studente completa con successo tutti e 3 gli esami parziali, verrà ricavato un punteggio composito come media delle valutazioni e registrato come voto finale nella prima sessione di esame disponibile. Esame: Le valutazioni vengono condotte tramite esami orali durante le sessioni di esame programmate (6 per ogni anno accademico, a partire dalla fine del corso nel mese di giugno).Durante l'esame, lo studente sarà tenuto a rispondere a ~ 6 domande per una durata di circa 35 minuti. Una di queste domande sarà su un argomento di scelta dello studente. Le domande rimanenti si concentreranno sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali con l'obiettivo di valutare la capacità di riorganizzare i concetti. Le domande copriranno tutti e 3 gli argomenti dei moduli con una media di 2 domande per ogni contenuto del modulo. Gli studenti saranno incoraggiati a pensare al possibile uso delle loro nozioni in esempi / applicazioni pratiche (problem solving) e combinare le conoscenze acquisite dai 3 diversi moduli dove possibile.Le date saranno in base alla seguente timeline prevista (si prega di fare riferimento al Registro ufficiale Online - Segreterie OnLine per le date ufficiali): 1 sessione nel giugno 2027 2 sessioni nel luglio 2027 1 sessione a settembre 2027 1 sessione nel novembre 2027 1 sessione a gennaio/febbraio 2028 Gli studenti sono tenuti ad annullare la loro iscrizione al Registro Online - Segreterie OnLine a tempo debito se decidono di non sostenere l'esame o almeno avvisare gli istruttori con 24 ore di anticipo se il termine è trascorso. Esami parziali: Gli studenti che frequentano il corso nell'anno accademico in corso (2026-2027) possono scegliere di iscriversi a sessioni di esami parziali programmate durante l'anno.Gli esami parziali copriranno il contenuto di singoli moduli (strategie macromolecolari, organiche e inorganiche). Durante l'esame parziale, lo studente sarà tenuto a rispondere a circa 3 domande per una durata di circa 20 minuti. Una di queste domande sarà su un argomento di scelta dello studente. Le domande rimanenti si concentreranno sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali con l'obiettivo di valutare la capacità di riorganizzare i concetti. Gli studenti saranno incoraggiati a pensare al possibile uso delle loro nozioni in esempi / applicazioni pratiche (problem solving).Nel corso dell’anno saranno programmate due sessioni di esami parziali per ciascuno dei tre moduli del corso. Le date saranno in base alla seguente timeline prevista (si prega di fare riferimento al Registro ufficiale Online - Segreterie OnLine per le date ufficiali): Strategie macromolecolari per la sintesi dei materiali (Prof. Bracco): 1 sessione nel novembre 2026 + 1 sessione a gennaio 2027Strategie organiche per la sintesi dei materiali (prof. Sassi): 1 sessione a gennaio 2027 + 1 sessione a febbraio 2027Strategie inorganiche per la sintesi dei materiali (prof. Di Credico): 2 sessioni a giugno 2027 È disponibile un riassunto grafico schematico di tale timeline qui L'iscrizione agli esami parziali è disponibile solo per gli studenti che frequentano il corso nell'anno in corso (2026-2027). Se uno studente supera il primo dei due esami parziali relativi a un modulo e accetta il voto non può iscriversi per la seconda sessione programmata. Agli studenti ** viene richiesto** di annullare la loro iscrizione sul Registro online - Segreterie OnLine a tempo debito se decidono di non sostenere l'esame nella sessione prevista. Come ultima risorsa dovrebbero almeno notificare la loro assenza agli insegnanti almeno il giorno prima. Criteri di valutazione I criteri di valutazione sono i seguenti: 18-21 (Sufficiente): Comprensione di base dei concetti; può descrivere correttamente metodi sintetici base ma fatica con la loro selezione/applicazione; limitata capacità di collegare la sintesi a specifiche proprietà dei materiali. 22-24 (Buono): Chiara comprensione dei metodi sintetici e delle loro caratteristiche; può selezionare approcci appropriati per i materiali standard; miglioramento dell'uso della terminologia scientifica. 25-27 (Molto buono): Forte comprensione autonoma delle strategie sintetiche; efficace nel giustificare le scelte metodologiche; comunicazione fiduciosa di idee complesse e risultati della letteratura. 28-30 (Eccellente): Maestria eccezionale; può ideare strategie efficienti per materiali complessi / nuovi; dimostra un pensiero critico sofisticato e la capacità di integrare la conoscenza in un design sintetico coerente. 30 Cum Laude se eccellente in tutti e tre i moduli

I libri di testo e altro materiale didattico sono indicati nel sillabi dei singoli moduli

Lo scopo del corso è di introdurre lo studente alla spettroscopia vibrazionale, elettronica e magnetica facendo uso estensivo della teoria dei gruppi e della meccanica quantistica come strumenti essenziali per la pratica moderna della spettroscopia sui complessi di metalli di transizione. Conoscenze e capacità di comprensioneLo studente deve dimostrare di possedere le conoscenze e gli strumenti metodologici necessari per interpretare i fenomeni alla base della interazione della radiazione elettromagnetica con la materia. Lo studente deve essere in grado di individuare autonomamente quali sono i fattori che determinano la probabilità di osservare assorbimento della luce da parte del sistema molecolare investigato. Lo studente deve essere in grado di definire le regole di selezione per le diverse spettroscopie. Lo studente deve familiarizzare con i termini propri della disciplina, e spiegare a persone esperte le nozioni sulle interazione luce/materia, la loro relazione con le spettroscopie e la loro applicazione a sistemi semplici nella chimica di coordinazione.Conoscenza e capacità di comprensione applicateLo studente deve dimostrare di essere in grado di risolvere svolgere calcoli di chimica quantistica molecolare con il codice Gaussian per ottenere le frequenze di vibrazione, le energie degli orbitali molecolari, le energie di eccitazione e i parametri di spettroscopia di risonanza elettronica per sistemi semplici di composti di coordinazione.Autonomia di giudizioLo studente ha la capacità di raccogliere e interpretare i dati ritenuti utili a determinare la risposta ad un problema quantitativo o qualitativo dato, relativo a proprietà spettroscopiche di un sistema molecolare. Lo studente ha la capacità di integrare le conoscenze e gestire la complessità, nonché di formulare conclusioni sulla base delle parziali informazioni raccolte.Abilità comunicativeLo studente, grazie alla stesura di una relazione scritta delle esperienze di laboratorio di chimica quantistica, sa comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità informazioni, idee, problemi e soluzioni relativi alle proprietà spettroscopiche di sistemi molecolari a interlocutori specialisti e non specialisti.Capacità di apprendimentoLo studente sviluppa quelle capacità di apprendimento che sono necessarie per intraprendere studi successivi e attività di ricerca per lo più in modo auto-diretto o autonomo.

Parte I: Teoria dei gruppi. Gruppi puntuali. Simmetria. Tabelle dei caratteri. Rappresentazioni riducibili e irriducibili. Formula di decomposizione. Teoria degli orbitali molecolari. LCAO. Teoria delle perturbazioni. Operatori di proiezione. Parte II: Introduzione alla spettroscopia. Spettroscopia vibrazionale. Momento di dipolo di transizione. Regole di selezione di simmetria. Modi normali di vibrazione. Esercitazione I (Analisi dello spettro vibrazionale di Mn(CO)₅Br). Parte III: Metodi di calcolo quantomeccanici. Funzioni di base. Ripasso della teoria Hartree-Fock. Fondamenti della teoria del funzionale della densità (DFT). Formalismo di Kohn-Sham. Tipi di funzionali di scambio e correlazione. Parte IV: Spettroscopia UV-visibile. Transizioni elettroniche. Principio di Franck-Condon. Forza del dipolo di transizione. Regole di selezione di spin e di simmetria. Forza dell’oscillatore. Simboli di termine. Campo cristallino. Effetto Jahn-Teller. Transizioni d-d. Accoppiamento vibronico. Diagrammi di Orgel e di Tanabe Sugano. Serie spettrochimica. Calcolo delle energie di eccitazione con Time-Dependent DFT (TD-DFT). Esercitazione II (Analisi dello spettro UV-vis di [Ti(H₂O)₆]³⁺). Parte V: Spettroscopia EPR. Magnetismo. Effetto Zeeman. Interazione iperfine. Accoppiamento spin-orbita. Tensore g. Tensore iperfine A. Isotropia e anisotropia. Esercitazione III (Analisi dello spettro EPR di [Ti(H₂O)₆]³⁺).

Vengono valutate le relazioni sulla parte di laboratorio computazionale che andranno consegnate almeno una settimana prima rispetto alla data dell'appello d'esame.La prova orale consiste in una prima parte di discussione sulle relazioni. Successivamente vengono poste alcune domande sia di natura generale che più di dettagli sugli argomenti svolti in aula durante le lezioni frontali sia sui contenuti delle esercitazioni svolte in laboratorio. La valutazione positivi (18-30L) viene stabilita secondo i seguenti criteri:18-19: preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che, nel caso della prova orale, emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, con una capacità di elaborazione critica limitata;20-23: preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente pratiche ed esecutive, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;24-27: preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai contesti e collegamento dei temi a casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;28 – 30/30L: preparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e autoriflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione, riflessione e di autoriflessione, capacità di collegamenti ad altre discipline.

Materiale didattico in forma di slide e appunti fornito dal docente. Testi: Symmetry and spectroscopy by D. C. Harris and M. D. Bertolucci (Dover). Physical methods in chemistry by R. S. Drago (Saunders).

Lo scopo del corso è fornire agli studenti le conoscenze e competenze necessarie per padroneggiare i complessi meccanismi e processi che stanno alla base delle trasformazioni di fase dei materiali, sia per quanto riguarda gli aspetti termodinamici sia per quanto riguarda gli aspetti cinetici. Le conoscenze e competenze acquisite verranno applicate ad alcuni casi di studio di rilevante importanza tecnologica nel settore dei materiali funzionali. D1 - CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di: 1 Descrivere lo stato cristallino e le principali strutture cristalline2 Descrivere i proncipi termodinamici alla base dell'equilibrio tra fasi condensate3 Descrivere i principi termodinamici alla base delle transizioni di fase solido/solido4 Descrivere i processi cinetici che sottendono la formazione di fasi solide 5 Descrivere i principi fisici alla base dei processi di diffusione 6 Descrivere i principi fisici alla base della diffrazione per lo studio dei materiali7 Descrivere i principi fisici alla base delle spettroscopie di assorbimento dei raggo X 8 Descrivere i principi termodinamici e cinetici alla base dei processi di corrosione D2 - CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di: 1 Ottenere informazioni sullo stato cristallino dalle tecniche diffrattometriche2 Leggere e interpretare digrammi di fase a più componenti 3 Prevedere la cinetica di crescita di materiali e le metodologie per influenzarla4 Interpreatre spettri di assorbimento di raggi X e correlarli alle proprietà dei materiali5 Prevedere la spontaneità di un processo corrosivo e valutarne la cinetica D3 - AUTONOMIA DI GIUDIZIO Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di: 1 Correlare i vari argomenti del corso integrandoli in una visione unitaria2 Applicare le conoscenze acquisite a materiali di importanza tecnologica 3 Selezionare le tecniche ed i parametri sperimentali utili ad ottenere specifiche informazioni strutturali nei solidi 4 Affrontare una discussione critica sulle relazioni tra struttura e proprietà funzionali in un solido D4- ABILITA' COMUNICATIVE Saper descrivere in forma scritta in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate. D5 - CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO Risultati attesi: 1 Raccogliere e comprendere le nuove informazioni utili per razionalizzare le proprietà strutturali di solidi. 2 Raccogliere e comprendere le informazioni circa l'evoluzione tecnologica di alcune tecniche di analisi.

Lo stato cristallino e l'interpretazione delle tavole sinottiche delle tabelle internazionali di cristallografia. Sistemi cristallini, reticoli di Bravais gruppi spaziali.Tecniche di diffrazione per lo studio delle sostanze cristalline. Determinazione di parametri reticolari e posizioni atomiche.Termodinamica dei materiali, approccio di Gibbs e deterrminazione dell'equilibrio tra fasi condensate. Analisi critica di diagrammi di fase temperatura/composizione a due componenti. Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali. Diagrammi di fase e morfologia: esempi (acciaio). Cenni ed esempi di digrammi di fase a tre componenti.Calssificazione termodinamica delle trasformazioni di fase e analisi del comportamento delle funzioni di stato durante le transizioni. Trasformazioni del secondo ordine, teoria di Landau e parametro d'ordine. Applicazione della teoria di Landau alle trasformazioni ordine-disordine.Processi di nucleazione omogenea e eterogenea durante la solidificazione e le trasformazioni solido-solido. Processi di crescita cristallina caso ristretto alla crescita e vaso generale di crescita durante la nucleazione.Diffusione e diffusione in stato solido. Il concetto di densità di flusso, origine fisica della dissusione e prima legge di Fick Equazione di continuità e seconda legge di Fick. Soluzioni della seconda legge e applicazione a sistemi semplici.La spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS): XANES EXAFS. Principi fisici e differenze applicative.Principi genarali della corrosione. Tipi di corrosione. Termodinamica di corrosione e diagrammi di Pourbaix. Cinetica di corrosione e diagrammi di Evans..

Esame scritto e orale con votazione in trentesimi La verifica dell'apprendimento dei risultati previsti dai descrittori D1-D5 viene effettuata in due fasi: un esame scritto con problemi da risolvere (lettura di diagrammi di fase, calcoli termodinamici e applicazione di leggi cinetiche), domande aperte (dimostrazioni) e domande a risposta multipla. Una votazione positiva (grade >18 su 30) allo scritto permette di accedere all'esame orale, che deve tenersi nella stessa sessione. Durante il colloquio orale verranno accertatate le capacità di analisi critica ed espositive così come l’autonomia di giudizio dello studente."Subsequently, an oral interview will be held, during which the student's critical analysis and communication skills, as well as their independent judgment, will be assessed.

International Tables of Cristallagraphy,Fundamentals of Crystallography (third Edition), Giacovazzo et al. Oxford.Thermodynamics and Phase Diagrams, Arthur D. Pelton, in Physical Metallurgy, Elsevier, EbookB.S. Bokstein et al., Thermodynamics & Kinetics in Materials Science,Dispense del docente.

Obiettivi generali Presentare le pincipali classi di polimeri funzionali impiegate in ambito industrilale, medico ed ambientale con un particolare attenzione ad esempi recenti presi dalla ricerca scientifica e tecnologica più avanzata. Conoscenze e capacità di comprensione Al termine del corso lo studente: 1) Sa distinguere la tipologia di polimeri in funzione delle applicazione 2) Sa individuare chiaramente la corelazione tra gli elementi strutturali del polimero e le possibile applicazioni 3) Conosce gli strumenti descrittivi principali delle nanoparticelle nei polimeri ed i metodi di funzionalizzazione 4) Conosce i metodi di caratterizzazione principale delle dispersioni colloidali Conoscenza e capacità di comprensione applicate: 1) Sa proporre metodi di sinsetsi di un polimero funzionale 2) Sa proporre linee di sviluppo ulteriori di polimeri esistenti con particolare attenzione alle applicazioni innovative 3) Conosce gli ambiti principali di applicazione dei polimeri funzionali 4) E' in grado di sviluppare polimeri funzionali per la "transizione verde" Autonomia di giudizio. Sa contestualizzare problemi classici della chimica dei polimeri quali il controllo del peso molecoalre, della distrubuizone dei comonomeri lungo la catena polimerica ed il controllo dei terminali di catena. Sa proporre polimeri funzionali per il trattamento delle acque, per l'utilizzo in ambito medico e biologico, o come eletroliti solido o semisolidi in batterie e in celle solari. Sa sviluppare gomme a memoria di forma o con reticoli reversibili. Abilità comunicative. Conosce la terminologia specifica della chimica dei polimeri funzionali innovativi ed è in grado di utilizzarla sia in forma scritta sia in forma orale, allo scopo di riassumere in modo completo e coinciso le caratteristiche e le possibili soluzioni di problemi formulativi. Capacità di apprendere. E' in grado di estendere quanto appreso a casistiche non trattate durante il corso. E' in particolar modo in grado di gestire autonomamente l'ampia letteratura scientifica dedicata ai polimeri funzuinali...

Dettaglio: Ricapitolazione di concetti prerequisiti:a. “soft matter”, colloidi, dispersioni, idrogelb. Richiami di chimica dei composti coniugati con particolare riferimento a relazioni struttura proprietà e metodi di sintesi Top down e bottom upa. Microfluidica, nanofabbricazione, electrospinning ed applicazionib. Stampa 3D, stampa di strutture soffici, condizioni mildc. Self-assembly, Copolimeri a blocchid. Blending, diagrammi di fase, interfaccia e interfase, metodi per misurare il grado di intimità Polimeri semiconduttori: metodi di sintesi, caratteristiche ottiche, elettriche ed optoelettroniche Inchiostri a base di polimeri semiconduttori: l’elettronica stampabile Adesione e trattamenti superficiali, antibatterici e antivirali intrinseci. Utilizzo del plasma reattivo Drug delivery systems polimerici, rigenerazione tissutale, Molecular Imprinted Polymers. Membrane, PIL, inserimento di monomeri “liquido ionici” nella catena polimerica. Polimeri a nanoporosità intrinseca Polielettroliti solidi e gel e loro utilizzo nelle batterie e nelle “dye sensitized solar cells” Transizione verde:a. Case study: reticolazione reversibile Diels-Alderb. Case study 2: gomma in gomma Nanoparticelle nel polimeroa. Proprietà ottenibili con le NP: barriera, refraction index, dielettriche, magnetiche, diffusione della luceb. Funzionalizzazione superficiale per il blending in matrici polimeriche (aspetti chimici e fisici, diagramma di fase di Kumar).

L'esame consiste in una prova orale in cui sono discussi gli argomenti presentati nelle lezioni. Oltre all’apprendimento delle nozioni fondamentali esposte nel corso, vengono valutate anche le capacità e attitudini dello studente ad adattare i fondamenti teorici della sintesi dei polimeri a particolari condizioni operative e pratiche viene infine valutata la capacità espositiva e adeguatezza del linguaggio dello studente.

Libri di testo: Synthetic Methods in Organic Electronic and Photonic Materials: A Practical GuideAuthors: Timothy Parker; Seth MarderDOI: https://doi.org/10.1039/9781839168833Paperback ISBN: 978-1-84973-986-3EPUB ISBN: 978-1-78801-814-2PDF ISBN: 978-1-83916-883-3Special Collection: RSC eTextbook CollectionPublication date: 04 Aug 2015 The book in available in electronic e-book format on the library site at the following address: https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=nlebk&AN=3579778&site=ehost-live&scope=site&ebv=EK&ppid=Page-__-1 Conjugated Polymers: Synthesis & Design Seth C. Rasmussen, Spencer J. Gilman, and Wyatt D. Wilcox December 1, 2023 DOI:10.1021/acsinfocus.7e7026eISBN: ‍9780841299603 Libri per ulteriore approfondimento/consulatzione: [1] K. Müllen, J. R. Reynolds, T. Masuda, Eds., Conjugated Polymers: A Practical Guide to Synthesis, Royal Society Of Chemistry, Cambridge, 2013. DOI: 10.1039/9781849739771 Polymers for 3D Printing Methods, Properties, and Characteristics, 1st Edition - June 5, 2022, Imprint: William Andrew, Editor: Joanna Izdebska-PodsiadłyLanguage: English Hardback ISBN: 9780128183113, eBook ISBN: 9780128183120 Microfluidics for Advanced Functional Polymeric Materials, Liang-Yin Chu, Wei Wang, ISBN: 978-3-527-80363-7https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527803637 Presentazioni power point preparate dai docenti

Le Tecnologie Quantistiche sfruttano la capacità di controllare fenomeni quantistici nella materia per realizzare sensori con sensibilità altrimenti inarrivabili e sistemi di calcolo capaci risolvere problemi altrimenti inaccessibili. Questa è la seconda rivoluzione quantistica che è in corso in questi anni e alla cui base ci sono dispositivi quantistici - i qubit - realizzati sfruttando diverse piattaforme. In questo corso lo studente acquisirà le competenze chiave necessarie per comprendere i meccanismi con cui i qubit possono essere utilizzati come elementi di un computer o come sensori. In particolare si approfondiranno i qubit superconduttivi, che oggi sono il cuore dei computer quantistici più avanzati, e le tecnologie legate al loro utilizzo. Le competenze acquisite dagli studenti costituiranno una solida base per poter comprendere dispositivi quantistici più complessi, anche basati su altre piattaforme, e le loro applicazioni.

Sistemi quantistici per le tecnologie quantistiche: i qubit. Superconduttività Fenomenologia Effetti Josephson Giunzioni di Josephson SQUIDS RF e DC Effetti quantistici macroscopici nelle giunzioni di Josephson Qubit superconduttivi Quantizzazione di circuiti superconduttivi Circuit QED Dinamica di sistemi quantistici a due livelli Dinamica della Matrice di Densità Sistemi aperti Controllo coerente di un sistema quantistico a 2 livelli Misura quantistica Misure Quantum Non Demolition Amplificazione e rumore Rumore e decoerenza Qubits accoppiati e entanglement Amplificatori parametrici Esempi di altre piattaforme Quantum sensing con qubits

Esame orale sugli argomenti svolti a lezione. L'esame si svolge in inglese.Il colloquio inizia con l'approfondimento di un articolo scientifico a scelta dello studente. L'esame ha l'obiettivo di valutare l'acquisizione da parte dello studente della capacità di leggere e comprendere in autonomia un articolo scientifico nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche sperimentali applicando i principi e i concetti appresi a lezione. Saranno valutate anche la capacità di ampliare le proprio conoscenze sia, per esempio, consultando l'estesa bibliografia proposta a lezione che attraverso i seminari proposti durante il corso e la capacità di esposizione e argomentazione attraverso la presentazione relativa all'articolo scelto. Voto in trentesimi 18-30/30 Non sono previste prove in itinere.

Due testi che raccolgono la maggior parte dei contenuti del corso sono: "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", A.M. Zagoskin, Cambridge University Press, 2011 “Quantum measurement “, Vladimir B. Braginsky, Farid Ya Khalili, Kip S. Thorne, Cambridge University Press, 1992 Testi più specifici verranno consigliati di volta in volta. Durante il corso verranno inoltre indicati agli studenti articoli di rassegna sugli argomenti trattati. Una lista preliminare include “Quantum sensing”, C. L. Degen, F. Reinhard, and P. Cappellaro. Rev. Mod. Phys. 89, 035002; https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.035002 “A quantum engineer's guide to superconducting qubits”, P. Krantz, M. Kjaergaard, F. Yan, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and W. D. Oliver. Applied Physics Reviews 6, 021318 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5089550 “Introduction to Experimental Quantum Measurement with Superconducting Qubits”, Mahdi Naghiloo, PhD 2019, Murch Lab, Washington University in St. Louis; arXiv:1904.09291

Scopo del corso è sviluppare una comprensione fondamentale dei nanomateriali, dalle loro proprietà all'ingegnerizzazione. A partire dalla visione di Feynmann, risalente al 1959, e dalla sua famosa affermazione "C'è molto spazio là in fondo", il corso si concentrerà sulla rilevanza di indagare e utilizzare i nanomateriali nel 21° secolo. Combinando approfondimenti fondamentali sulla fisica e la chimica dei nanomateriali (“Conoscenza e comprensione”) il corso porterà a definire le regole per la progettazione di materiali funzionali avanzati con proprietà innovative, per sviluppare strategie e dispositivi innovativi (“Capacità di applicare conoscenza e comprensione”). Il corso si concentrerà su materiali artificiali su micro/nanoscala, nonché su materiali naturali (biomateriali) e ispirati alla natura (biomimetici), con particolare attenzione ai materiali intelligenti con speciale bagnabilità. Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere la complessità dei nanomateriali, con una visione critica sia dei potenziali benefici che delle difficoltà legate all'implementazione ingegneristica (“Capacità di apprendimento e autonomia di giudizio”). Attraverso una serie di attività guidate e ispirate al principio di classe rovesciata, lo studente consoliderà le capacità di disseminazione, comunicazione e valorizzazione dell’attività di ricerca (“Abilità comunicative”).

Panoramica dei nanomateriali e delle nanotecnologie, con prospettiva storica: approccio top-down vs bottom-up Energia superficiale ed effetti capillari, fino alla micro e alla nanoscala Superfici non bagnabili Teoria della nucleazione: nucleazione omogenea ed eterogenea Presentazioni di classe da parte degli studenti (dopo l'introduzione da parte dell'insegnante) su argomenti di ricerca all'avanguardia sui nanomateriali, tra cui a titolo di esempio: (i) nanomateriali a base di carbonio (grafene - nanotubi di carbonio), (ii) aerogel, (iii) nanomateriali a base di biopolimeri, (iv) nanomateriali ad elevato assorbimento (ad es. ultra-nero), (v) nanomateriali in applicazioni biomediche. Implicazioni sociali: etica, sicurezza, ambiente e percezione pubblica

L'insegnante valuta se e fino a che punto lo studente ha raggiunto gli obiettivi del corso. La valutazione formale sarà basata sulla conoscenza degli argomenti generali forniti. L'esame si svolge attraverso una prova orale. Durante il corso, gli studenti terranno anche una presentazione in classe, prepareranno un breve video e scriveranno un "highlight" di ricerca degli argomenti sopra elencati. La valutazione sarà basata sui seguenti punti: Conoscenza e comprensione. Lo studente dimostra la padronanza di concetti scientifici e tecnici complessi, articolando connessioni e fornendo spiegazioni esaustive, basate sulla letteratura scientifica. Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Lo studente dimostra una capacità avanzata di analizzare un fenomeno, una sintesi o un metodo di caratterizzazione, comprendendone punti di forza e limiti. L'applicazione delle conoscenze è metodologicamente rigorosa e supportata da dati e argomentazioni. Abilità comunicative. Nelle attività e nell'esame orale finale, lo studente presenta o risponde a domande in modo chiaro e strutturato. L'eloquio è fluido. Capacità di apprendimento e autonomia di giudizio. Lo studente dimostra una capacità avanzata di autoriflessione, sviluppando un'analisi dettagliata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale (ad esempio, riportando in modo trasparente e critico il processo di utilizzo dell'IA generativa durante le attività proposte). La valutazione finale sarà una somma delle diverse parti: Presentazione: massimo 12 punti Simulazione di video per crowdfunding: massimo 6 punti Research highlight: massimo 4 punti Esame orale: massimo 8 punti TOTALE: massimo 30 punti

Referenze primarie: Gabor L. Hornyak, Joydeep Dutta, H.F. Tibbals, Anil Rao, Introduction to Nanoscience, CRC Press. Published May 15, 2008. 856 Pages, ISBN: 9781420048056 Gabor L. Hornyak, John J. Moore, H.F. Tibbals, Joydeep Dutta, Fundamentals of Nanotechnology, CRC Press. Published December 22, 2008. 786 Pages. ISBN 9781420048032 Guozhong Cao and Ying Wang, Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications, World Scientific (2011), ISBN 13: ISBN: 978-981-4322-50-8 (hardcover) 978-981-4324-55-7 (softcover). H.-J. Butt, M. Kappl. Surface and Interfacial Forces. Wiley, 2018, ISBN: 978-3-527-80436-8 Altri riferimenti: Sulabha K. Kulkarni. Nanotechnology: Principles and Practices. Springer International Publishing, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-09171-6. R. Kelsall, I. Hamley, M. Geoghegan. Nanoscale: Science and Technology. Wiley, 2005. ISBN: 978-0-470-85086-2. Michael Köhler and Wolfgang Fritzsche, Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques, Second Edition, Wiley, 3 December 2007, Print ISBN:9783527318711, Online ISBN:9783527621132 DOI:10.1002/9783527621132. Dieter Vollath, Nanomaterials: An Introduction to Synthesis, Properties and Applications, 2nd Edition, Wiley, 1 July 2013, 386 Pages, ISBN: 978-3-527-67186. Gerrard Eddy and Jai Poinern, A Laboratory Course in Nanoscience and Nanotechnology, 1st Edition, CRC Press, December 6, 2014, 260 Pages. ISBN 9781482231038.

ObiettiviL'obiettivo principale del corso è migliorare le competenze comunicative e linguistiche degli studenti attraverso discussioni strutturate su argomenti di attualità, promuovendo il pensiero critico e l'espressione efficace. Gli studenti acquisiranno le conoscenze di base su sicurezza ambientale, sostenibilità, circolarità, valutazione del ciclo di vita, riscaldamento globale, energia pulita e accessibile e materie prime critiche. Interazioni costruttive e impegni dinamici aiuteranno gli studenti a migliorare la competenza linguistica.Conoscenza e comprensioneAl termine del corso, gli studenti saranno in grado di applicare il vocabolario pertinente, comunicare in modo efficace e discutere i concetti fondamentali di sostenibilità, circolarità, valutazione del ciclo di vita, riscaldamento globale, energia pulita e accessibile e materie prime critiche.Applicare la conoscenza e la comprensioneAl termine del corso, gli studenti saranno in grado di presentare i principali aspetti relativi alla sostenibilità, i pilastri dell'economia circolare, gli input e gli output della valutazione del ciclo di vita, inclusa la valutazione dei metodi e il confronto con esempi reali. Inoltre, gli studenti saranno in grado di discutere le principali cause ed effetti del riscaldamento globale causato dall'uomo e valuteranno i rischi associati e il possibile adattamento ai cambiamenti climatici. Gli studenti saranno in grado di discutere, argomentare e formulare opinioni sulle diverse tipologie di energia e sulla loro produzione, identificando l'inquinamento delle fonti rinnovabili, nonché le materie prime critiche e i potenziali sostituti.Esprimere giudiziIl corso aiuterà gli studenti a padroneggiare la scelta del vocabolario e dei termini appropriati per gli argomenti trattati, dimostrando al contempo di aver compreso i principi fondamentali alla base della sostenibilità, della circolarità, della valutazione del ciclo di vita, del riscaldamento globale, dell'energia pulita e accessibile e delle materie prime essenziali.Abilità comunicativeAl termine di questa attività, lo studente sarà in grado di presentare oralmente e con adeguate competenze linguistiche argomenti scientifici relativi alla sostenibilità, alla circolarità, alla valutazione del ciclo di vita, al riscaldamento globale, all'energia pulita e accessibile e alle materie prime critiche.Capacità di apprendimentoAl termine del corso, lo studente sarà in grado di:Aggiornarsi costantemente sulle proprie capacità comunicative relative agli argomenti di ricerca trattati. Valutare criticamente informazioni e dati e, infine, supportare il processo decisionale e la risoluzione dei problemi. Sviluppare un approccio multidisciplinare allo studio e alla comprensione di questi argomenti.Proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel campo della sostenibilità, dell'economia circolare, del riscaldamento globale, delle energie rinnovabili e delle materie prime critiche.

Sostenibilità: definizione, implicazioni, economia vecchia e nuova (2 h). Verranno introdotti e discussi il concetto di circolarità e l'economia circolare (2 h). Verrà introdotto il concetto di Life Cycle Assessment (LCA) (2 h). Inoltre, verrà presentato il modo di realizarne uno, identificando input e output. Saranno discussi alcuni casi studio (2 h). Verranno introdotti il concetto di riscaldamento globale e i relativi dati, con riferimento al report dell'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) del 2013 (2 h). Verrà discusso anche il report IPCC del 2022, confrontato con quello del 2013 (2 h). Energia pulita e combustibili puliti verranno introdotti e discussi (4 h). Verrà introdotta e discussa l'introduzione alle materie prime critiche e alle loro sostituzioni nel quadro della circolarità e della scienza dei materiali (4 h)

Al termine del corso, gli studenti dovranno presentare una presentazione su un argomento correlato. Non saranno previsti test intermedi, tuttavia la partecipazione in classe sarà fortemente incoraggiata. La valutazione terrà conto della qualità della presentazione, delle capacità comunicative, delle risposte alle domande e risposte e della capacità di discutere le conoscenze acquisite durante il corso.

Le diapositive dell'insegnante e la discussione durante la lezione

L’obiettivo dell’insegnamento è la descrizione della struttura, proprietà, funzioni e caratterizzazione di materiali per applicazioni solari e tecnologie rinnovabili. Il corso comprenderà anche la descrizione dei corrispondenti dispositivi. Conoscenze e capacità di comprensione Al termine del corso lo studente conosce: i principali dispositivi solari (fotovoltaico, fotosintesi artificiale ) sia commerciali che in fase di ricerca e sviluppo; i principali materiali in essi utilizzati e le loro principali caratteristiche e proprietà. le principali tecnologie di produzione di energia da fonti rinnovabili (fotovoltaico, applicazioni particolari di fotovoltaico(Agrivoltaico, Floating PV, BIPV) cenni di eolico, idroelettrico e produzione di e-fuels) Applicazione delle conoscenze e capacità di comprensioneAl termine del corso, lo studente è in grado di:-applicare le conoscenze acquisite per valutare in modo critico la scelta dei materiali nei diversi dispositivi per l’energia solare, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali; -selezionare materiali e tecnologie adeguati per specifiche applicazioni nel campo delle energie rinnovabili, come i sistemi fotovoltaici, fotoelettrochimici e la fotosintesi artificiale; -interpretare e analizzare i dati di caratterizzazione dei materiali per valutare le prestazioni e l’affidabilità dei componenti utilizzati nelle tecnologie solari ; -integrare le conoscenze sui materiali e sui dispositivi per proporre soluzioni innovative o miglioramenti nei sistemi di conversione energetica; -applicare i principi appresi a scenari reali di produzione di energia da fonti rinnovabili, inclusi il vento, l’idroelettrico e la produzione di e-fuel. Autonomia di giudizio Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di comprendere il principio di funzionamento di una cella solare e le relazioni tra efficienza del dispositivo e proprietà chimico fisiche dei materiali impiegati nel dispositivo stesso; comprendere le principali caratteristiche strutturali e altre proprietà dei materiali utilizzati nei dispositivi solari; analizzare delle tecnologia energetica rinnovabile trattate i vantaggi e gli svantaggi e il relativo impatto ambientale. analizzare criticamente la letteratura di riferimento; Abilità comunicative Esporre oralmente e per iscritto con proprietà di linguaggio argomenti scientifici di materiali per l’energia rinnovabile . Capacità di apprendere Al termine del corso, lo studente è in grado di: -approfondire in modo autonomo le conoscenze sui materiali e dispositivi per l’energia rinnovabile attraverso la letteratura scientifica e risorse specialistiche; -aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull’evoluzione tecnologica nel campo dell’energia solare e delle altre fonti rinnovabili; -valutare criticamente nuove informazioni e dati nel settore, a supporto del processo decisionale e della risoluzione di problemi; -sviluppare un approccio multidisciplinare allo studio e alla comprensione dei sistemi per l’energia rinnovabile, integrando principi di scienza dei materiali, chimica e ingegneria; -proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel settore delle tecnologie per l’energia sostenibile.

Fonti di energia e fonti rinnovabili: uno sguardo d’insieme. Effetto fotovoltaico. Dispositivi fotovoltaici: funzionamento e parametri fotovoltaici, limiti teorici della conversione fotovoltaica. Tecniche di misure e relativa metodologia di analisi di dispositivi fotovoltaici (curve I/V sotto illuminazione, risposte spettrali) Classi di materiali e dispositivi fotovoltaici: Celle solari a silicio mono- e multi cristallino (processi di crescita e di realizzazione del dispositivo) Celle solari inorganiche a film sottile (silicio amorfo, CdTe e CIGS): metodi di deposizione e proprietà Celle solari ad alta efficienza: celle a multi giunzione e sistemi a concentrazione Celle solari di concezione avanzata Celle solari organiche e ibride a film sottile (dye-sensitized solar cells, celle organico-polimeriche, celle a perovskiti) Materiali e dispositivi per la generazione fotocatalitica e fotoelettrochimica di combustibili e prodotti chimici per via solare o elettrochimica (fotosintesi artificiale, fotolisi dell’acqua, riduzione della CO2). Energia eolica

COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE E SUI TESTI DI ESAME L’esame consiste in una prova orale su tutti gli argomenti trattati a lezione e riportati nel materiale (diapositive delle lezioni e testi di riferimento) forniti agli studenti tramite la piattaforma Moodle. Durante l’esame il docente può chiedere allo studente di scrivere su un foglio o alla lavagna le risposte, soprattutto laddove questo venga ritenuto necessario (strutture dei materiali, meccanismi e processi, configurazione dei dispositivi, ecc.). Data la natura del corso di laurea l’esame verterà soprattutto sui materiali (struttura, proprietà, funzioni e caratterizzazione) ma saranno richieste anche conoscenze sulla struttura generale e caratterizzazione delle tecnologie e dispositivi presentati a lezione. Viene applicato il seguente grado di giudizio in relazione ai seguenti parametri: Conoscenza concettuale e capacità di comprensione Capacità di applicare conoscenza e comprensione Capacità comunicative e argomentative Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Votazione < 18 Conoscenza e Comprensione Lo studente identifica solo parzialmente le caratteristiche dei concetti. Le connessioni tra i concetti risultano frammentarie e scarsamente supportate da conoscenze teoriche. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente individua solo alcuni elementi rilevanti in un fenomeno, senza riuscire a integrarli in un’analisi organica. Capacità comunicative e argomentative Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione essenziale, priva di articolazione logica e caratterizzata da numerose imprecisioni espositive. Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Lo studente riesce a ricostruire solo alcuni aspetti del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Votazione 18-22 Conoscenza e Comprensione Lo studente riconosce e restituisce la maggior parte delle caratteristiche concettuali e riesce a fornirne una spiegazione relativamente coerente, sebbene con qualche imprecisione. I riferimenti teorici sono presenti ma non sempre in modo rigoroso. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente è in grado di riconoscere un numero significativo di elementi e di fornire una spiegazione parziale, pur evidenziando alcune lacune nell’analisi. Capacità comunicative e argomentative Nella prova orale lo studente costruisce un’argomentazione di base, dotata di una struttura minima ma con alcune imprecisioni. Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Lo studente dimostra una consapevolezza di base del proprio percorso di apprendimento, riuscendo a tracciare collegamenti essenziali tra le esperienze formative, sebbene con alcune imprecisioni. Votazione 23-27 Conoscenza e Comprensione Lo studente dimostra una comprensione approfondita delle caratteristiche concettuali. Nella prova orale le spiegazioni risultano ben articolate e supportate da un uso adeguato dei riferimenti teorici. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente individua con precisione gli elementi essenziali di un fenomeno. L’applicazione delle conoscenze avviene con un rigore metodologico non sempre solido. Capacità comunicative e argomentative Nella prova orale lo studente sviluppa un’argomentazione coerente e ben organizzata, dimostrando una buona padronanza del linguaggio e una struttura logico-argomentativa solida. La comunicazione risulta chiara ed efficace. Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Lo studente analizza il proprio percorso di apprendimento in modo chiaro e strutturato, mettendo in evidenza relazioni significative tra le diverse tappe evolutive e dimostrando una buona capacità di riflessione critica. Votazione 28-30 Conoscenza e Comprensione Lo studente evidenzia una padronanza completa dei concetti, articolando connessioni complesse e fornendo spiegazioni esaustive. I riferimenti teorici sono utilizzati con pertinenza e rigore. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente evidenzia una capacità avanzata di analisi di un fenomeno, individuando e interpretando in modo esaustivo tutti gli elementi salienti. L’applicazione delle conoscenze avviene con rigore metodologico, supportato da un’argomentazione solida e articolata. Capacità comunicative e argomentative Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione solida e articolata, con un impianto logico rigoroso e un elevato livello di coerenza testuale. Il discorso è fluido e ben strutturato. Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione Lo studente evidenzia una capacità avanzata di autoriflessione, elaborando un’analisi articolata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Le connessioni tra esperienze formative e concetti teorici risultano chiare, coerenti e rigorose.

Per la prima parte dell'insegnamento sono fondamentali i seguenti testi reperibili in Ebook in biblioteca O. Isabella, K. Jäger, A. Smets , R. van Swaaij,M.Zeman "Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovoltaic Conversion, Technologies and Systems " UIT ISBN-13: 978-1906860325 ; ISBN-10: 1906860327 (gratis in EBOOK) Antonio Luque,Steven Hegedus “ Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, 2ⁿᵈ edition 2011 John and Wiley & Sons; (verranno indicati i capitoli) Comunque data la natura del corso, che ha come oggetto contenuti anche molti recenti di natura scientifica e tecnologica, non esistono testi esaustivi comprendenti tutti gli argomenti. Il materiale utile consiste anche nelle slides che il docente presenta e discute a lezione e che vengono messe il giorno stesso della lezione a disposizione degli studenti nella piattaforma e-learning dedicata all’insegnamento. Le slides contengono anche riferimenti di fonti primarie e secondarie di letteratura (reviews, articoli scientifici, libri) che lo studente può utilizzare per un approfondimento della materia. L’utilizzo di questo materiale addizionale tuttavia non è richiesto per il superamento dell’esame. Per la seconda parte dell'insegnamento, tenuta dal Prof. Manfredi , si consiglia il testo "Tian H., Boschloo G., Hagfeldt A. (eds) Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage. Green Chemistry and Sustainable Technology. Springer, Singapore, 2018. " Si rammenta che le slides contengono sia il contenuto la cui conoscenza è ritenuta fondamentale per la conoscenza della materia e il superamento dell’esame sia contenuti di dettaglio che vengono forniti dai docenti allo scopo di meglio illustrare la materia e supportare la comprensione dei concetti esposti. La distinzione tra le due tipologie è chiaramente espressa durante le lezioni in aula. In caso di dubbi si consiglia fortemente di rivolgersi ai docenti per conoscere le parti obbligatorie per lo studio nell’ambito del materiale reso disponibile nella pagina e-learning dell’insegnamento.

Il corso fornirà una comprensione teorica e pratica della fisica e della tecnologia dei moderni dispositivi a semiconduttore. Partendo dai dispositivi elettronici puri, inclusi diodi e transistor, il corso si estenderà ai dispositivi optoelettronici, ai LED, ai laser e ai fotorivelatori, e infine agli elettrodi semiconduttori funzionali per il rilevamento di biosensori e ioni, la generazione di idrogeno solare e le celle a combustibile fotovoltaico.Alla fine del corso, gli studenti acquisiranno una solida conoscenza e comprensione dei concetti fondamentali della fisica dei semiconduttori applicati alle funzionalità specifiche di dispositivi elettronici, optoelettronici e fotoelettrochimici. Gli studenti saranno in grado di valutare i limiti delle attuali architetture di dispositivi e delle tecnologie di fabbricazione. Gli studenti svilupperanno strategie efficienti per la risoluzione dei problemi e rafforzeranno le competenze per l'apprendimento continuo affrontando collettivamente esercizi dedicati.

LEZIONI p-n junctions Metal-semiconductor junctions Bipolar transistors Field-effect transistors Heterojunction devices LEDs and lasers Photodetectors and solar cells Bio- and ion sensors Solar hydrogen and photofuel cells

L'esame consiste di un orale, per la parte di lezioni, e della discussione relazione di laborratorio.esame orale, gli studenti dovranno dimostrare di avere familiarità con i principi fondamentali dei vari dispositivi a semiconduttore, con la fisica sottostante e con le modalità con cui le funzioni di questi dispositivi possono essere simulate e analizzate sperimentalmente. L'esame consiste in due o tre domande su diversi argomenti del corso, che dovranno essere discussi sulla base di schemi elettrici, equazioni e dati numerici. Lo studente può scegliere il primo argomento e dovrà consegnare la relazione sulle attività di laboratorio almeno cinque giorni prima dell'esame. Verranno valutate le competenze negli aspetti qualitativi e quantitativi del funzionamento dei dispositivi, tenendo conto della comprensione fisica e del relativo formalismo teorico.

M. Shur, Physics of Semiconductor Devices, Prentice Hall D. Neaman, Semiconductor Physics and Devices, McGraw Hill S.M. Sze, Physics of Semiconductor devices, J. Wiley Note del corso Slides del corso

Il corso si propone di fornire le nozioni fondamentali sulle interazioni tra portatori di carica e spin e la materia in dispositivi e sistemi elettronici. Gli stati elettronici di materiali e dispositivi saranno studiati attraverso la discussione delle loro architetture e la misurazione delle proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche, al fine di comprendere le potenziali applicazioni dei materiali quantistici nelle tecnologie quantistiche. Durante il corso verranno date dimostrazioni sperimentali di alcuni fenomeni descritti durante le lezioni: come ad esempio: quantizzazione della conduttanza, magnetoresistenza gigante, sensori quantistici, miscoscopia elettornica di domini magnetici. I risultati attesi al termine dell’insegnamento sono: Conoscenza e capacità di comprensioneGli studenti acquisiranno conoscenze nell'ambito dei materiali e dei fenomeni quantistici emergenti dal confinamento della materia lungo una o più direzioni nello spazio, e dei metodi per la preparazione e caratterizzazione di dispositivi che permettano di sfruttare tali fenomeni nell'elettronica per le tecnologie quantistiche. Conoscenza e capacità di comprensione applicateCompetenze nell'ambito delle tecniche per la caratterizzazione di materiali e dei metodi per la realizzazione di dispositivi per la spintronica, sensoristica e computazione quantistica. Autonomia di giudizioGli studenti acquisiranno capacità di giudizio nell'individuare le proprietà chiave dei materiali che permettono lo sviluppo di dispositivi avanzati e performanti sapendo distinguere potenzialità e limitazioni. Abilità comunicativeGli studenti acquisiranno la terminologia e il linguaggio necessari per saper descrivere le proprietà di materiali avanzati per la elettronica quantistica e dei metodi di preparazione e realizzazione di dispositivi in nanotecnologia. Capacità di apprendereGli studenti acquisiranno gli strumenti che gli permetteranno di continuare lo studio in modo autonomo attraverso l'utilizzo di metodi di indagine per lo studio e la ricerca di materiali e dispositivi avanzati.

INTRODUZIONE• Dispositivi elettronici per le moderne tecnologie quantistiche. Panoramica dei prerequisiti del corso, contenuti delle lezioni, libri di testo/letteratura e metodi di valutazione. Richiami di concetti base di fisica dello stato solido e fisica dei semiconduttori. TRASPORTO QUANTISTICO• Meccanismo di conduzione in sistemi a bassa dimensionalità. Resistore elastico. Regime lineare. Trasporto balistico, diffusivo e quasi-balistico.• Formalismo generale per la conduttività. Resistenza di interfaccia. Due visioni della conduttività. Equazione di Boltzmann.• Regole di progettazione per un nanotransistor efficiente. Conduttanza quantizzata. Contatto Quantistico di Punto (CQP). Formalismo di Buttiker-Landauer.• Effetto Hall quantistico intero e frazionario. Grafene.• Effetto tunnel coerente e incoerente in una doppia barriera.• Transistor a singolo elettrone: teoria, funzionamento e applicazioni. Rilevamento della carica con QPC: elettrometro. METODI PER LA GENERAZIONE, RILEVAZIONE E MANIPOLAZIONE DI SPIN• Spin in un punto quantico. Spettroscopia degli stati eccitati. Transizione S-T indotta da campo magnetico. Filtro di spin bipolare. Metodi di conversione da spin a carica.• Non-demolizione quantistica con doppi punti quantici. Diagramma di stabilità della carica. Rilevamento della carica con doppi punti quantici.• Spin in due doppi punti quantici. Blocco dello spin di Pauli. Meccanismi di decoerenza dello spin.• Risonanza di spin elettronico. Metodi per la manipolazione a microonde, elettrica e ottica degli spin elettronici.• Manipolazione ottica dello spin elettronico con centri NV nel diamante. DISPOSITIVI E APPLICAZIONI IN SPINTRONICA• Teoria della conduzione nelle strutture a strati magnetici. Trasporto di spin attraverso interfacce.• Effetti della magnetoresistenza: Magnetoresistenza anisotropica (AMR). Magnetoresistenza gigante (GMR). Magnetoresistenza a effetto tunnel. • Giunzioni a tunnel magnetico.• Rilevamento e manipolazione elettrica dello spin con valvole di spin laterali.• Memoria magnetica ad accesso casuale universale (MRAM).• Coppia di trasferimento di spin (STT). Inversione della magnetizzazione con nanofili.• Transistor di spin Datta-Das. FUNZIONALITÀ EMERGENTI: MAGNETISMO TOPOLOGICO• Topologia nella materia condensata e conduzione chirale.• Effetti magnetoelettrici topologici e spintronica topologica.• Domini magnetici e skyrmioni di tipo Néel e di tipo Bloch.• Esperienze di laboratorio per la visualizzazione microscopica di domini magnetici.

Le conoscenze degli studenti verranno valutate attraverso una prova orale incentrata sugli argomenti trattati durante il corso con presentazione di analisi quantitative, equazioni, grafici e schemi.La competenza e i criteri di valutazione si baseranno sulle conoscenze e sulle capacità comunicative acquisite nell'ambito degli argomenti studiati. Non sono previste prove parziali.

Datta S. (2013) Electronic transport in mesoscopic systems, Cambridge University Press T. Shinjo (2009), Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier J. Stöhr and H.C. Siegmann (2006) Magnetism: from fundamentals to nanoscale dynamics. Springer, Berlin Jiadong Zang, Vincent Cros, Axel Hoffmann, Topology in Magnetism, Springer Nature Switzerland AG 2018

Lo scopo dell'insegnamento e' quello di fornire un introduzione alla teoria dell'informazione e computazione quantistica e ai qubits, gli elementi di base per i computer e le tecnologie quantistiche. Lo studente acquisirà le basi teoriche fondamentali per affrontare temi di ricerca e sviluppo nel settore emergente delle tecnologie quantistiche. In dettaglio: Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente dovrà apprendere i concetti fondamentali dell'Informazione e Computazione Quantistica. Conoscenza e capacità di comprensione applicate: lo studente dovrà essere in grado di applicare la Teoria dell'Informazione e Computazione Quantistica allo studio delle tecnologie quantistiche. Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà capacità critiche e di giudizio nel saper scegliere tra gli strumenti forniti a lezione quello più appropriato per la soluzione di un determinato problema specifico. Abilità comunicative: lo studente dovrà acquisire un linguaggio scientifico corretto e appropriato alle tematiche svolte nel corso Capacità di apprendere: lo studente sarà in grado di approfondire concetti specifici, non presentati durante il corso, e di proseguire in modo autonomo nello studio avanzato su testi scientifici specializzati.

— Elementi di base della Meccanica Quantistica — Entanglement e disuguaglianze di Bell -- Informazione quantistica -- Qubits — Circuiti quantistici — Esempi semplici di algoritmi quantistici --- Esempi di correzione degli errori -- Esempi di realizzazione fisica di qubits

esame orale con domande aperte sull'intero programma del corso. Saranno valutate conoscenza degli argomenti, capacita' di applicarli e chiarezza di esposizione.

Ottimi libri sull'argomento: — Quantum Computation and quantum Information, Nielsen and Chuang — Quantum Computer Science, Mermin Ci sono ottime lezioni online (se il link non funziona piu', google it!): -- Corso di Scott Aaronson a Austin -- Corso di John Preskill a Caltech (avanzato) E molto materiale online per la programmazione, ma anche lezioni e video su quantum computing e qubits, su https://qiskit.org/