Materials Science and Technology

Il corso si propone di fornire le conoscenze tecniche avanzate ed i criteri di scelta tra le principali tecniche per la caratterizzazione spettroscopica e morfologica di nanomateriali e superfici nanostrutturate. Infine, ci si aspetta che lo studente acquisisca conoscenze sia sugli aspetti fondamentali che strumentali degli approcci analitici. Ci si aspetta inoltre che lo studente acquisisca un adeguato livello di competenza, consentendo una decisione mirata su quale/i tecnica/i di caratterizzazione potrebbe meglio adattarsi alle esigenze specifiche.

Si tratta di un corso specialistico che fornisce approfondimenti tecnici sugli aspetti fondamentali e strumentali di diverse tecniche analitiche per la caratterizzazione multidisciplinare di superfici e nanomateriali.

Caratterizzazione di superfici e nanomateriali

Capacità di definire il cosiddetto “problema analitico”. Capacità di scegliere tra le diverse tecniche strumentali, in funzione delle specifiche informazioni ricercate.
Acquisizione ed impiego di terminologia tecnica nel campo della Chimica Analitica.
Capacità di ricavare e utilizzare informazioni dalle più rilevanti banche dati internazionali.
Capacità di confrontare tra loro i risultati di diversi approcci strumentali

1. Definizione di superficie e interfaccia.
2. Misurazione del vuoto. Tempo di monostrato. Tecniche di pulizia e ultra-cleaning.
3. Caratterizzazione morfologica di superfici e nanomateriali mediante microscopie a scansione di sonda combinate con approcci elettrochimici (SECM, AFM elettrochimico, STM elettrochimico, ecc.).
4. Microscopia elettronica a scansione e spettroscopie ifenate.
5. Rutherford backscattering.
6. Modalità di caratterizzazione avanzate in spettroscopia fotoelettronica a raggi X: spettroscopia fotoelettronica a raggi X near-ambient pressure (NAP-XPS), XPS risolto in angolo, modalità di mappatura XPS, analisi in profilazione distruttiva di campioni liquidi e/o biologici, effetti dimensionali su spettri XPS e Auger.
7. Spettrometria di massa per la caratterizzazione di superfici e nanomateriali: spettrometria di massa con desorbimento e ionizzazione laser assistita da matrice (MALDI-MS), MALDI-MS Imaging, MS con desorbimento/ionizzazione su Silicio (DIOS-MS), LDI-MS assistita da nanoparticelle (NALDI-MS), spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (TOF-SIMS), ecc..
8. ATR-IR SERS, SEIRAS, SPR.
9. Tecniche di separazione e analisi per nanocolloidi: Field Flow Fractionation (FFF), Flow-FFF, Gravitational-FFF, Sedimentation-FFF, Hollow-Fiber-FFF, Elettroforesi.
10. Lezioni aggiuntive, e/o seminari, e/o sessioni pratiche, da adattare alle preferenze degli studenti (o dei progetti di tesi), approfondendo il livello di conoscenza di almeno uno dei suddetti argomenti.

Esame orale. Sono previste tre prove in itinere (in forma scritta con quesiti a risposta sia chiusa che aperta) in sostituzione della prova orale per chi frequenta regolarmente.

“Practical Surface Analysis: Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy”, M.P. Sea, D. Briggs. John Wiley & Son Ltd. ISBN: 978-0471920816.
“A Beginners' Guide to Scanning Electron Microscopy”, A.U. Hamid. Springer Ltd. ISBN: 978-3030074982.

Lo scopo del corso è quello di fornire i fondamenti sulle proprietà chimico-fisiche dei biomateriali e gli sviluppi nella loro applicazione nel campo medico, industriale, e in quello della ricerca accademica. Verranno acquisite conoscenze sulla preparazione di biomateriali e sulla loro caratterizzazione.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di: (i) definire e valutare le proprietà desiderate per un biomateriale a seconda della sua applicazione finale; (ii) definire le tecniche di caratterizzazione dei diversi biomateriali; (iii) utilizzare diverse tecniche di caratterizzazione: reologia, tecniche elettrochimiche; (iv) identificare materiali sostenibili come alternative a materiali con maggiore impatto ambientale.

-Conoscenza delle diverse classi di biomateriali e delle loro più recenti applicazioni, inclusi gli sviluppi più recenti e le prospettive di applicazioni future
-Capacità di comprensione degli aspetti chimico-fisici che governano le proprietà dei biomateriali
-Conoscenza delle tecniche di caratterizzazione dei biomateriali

-Capacità di definire le proprietà di un biomateriale sulla base delle diverse applicazioni finali e di impiegare biomateriali per lo sviluppo di diversi dispositivi
-Capacità di caratterizzare i biomateriali (tramite esperienze di laboratorio)

-Analizzare i dati raccolti durante le esperienze di laboratorio
-Discutere in modo critico i dati ottenuti e confrontarsi con i colleghi ed il docente

Biomateriali.
Definizione di biomateriali e scienza dei biomateriali: dalle origini al settore interdisciplinare attuale.
Biomateriali di prima generazione:

• biomateriali metallici: applicazioni e proprietà, studio dei processi corrosivi, diagrammi di Evans, polarizzazioni potenziodinamiche, EIS.
• biomateriali ceramici: proprietà, applicazioni, e casi studio.
• biomateriali polimerici: proprietà, applicazioni, e casi studio.
  Biomateriali di seconda generazione:
• biomateriali metallici a base di ferro, zinco, magnesio e loro leghe, cinetiche di degradazione.
• biomateriali ceramici: proprietà delle ceramiche biodegradabili e bioattive, applicazioni.
• biomateriali polimerici: proprietà dei polimeri biodegradabili, cinetica dei processi di erosione e biodegradazione, tecniche di caratterizzazione di biomateriali polimerici, applicazioni.
  Biomateriali di terza generazione:
• ceramiche e polimeri come biomateriali di terza generazione, applicazioni.
  Sviluppo di Biomateriali.
  Aspetti rilevanti nelle fasi di sviluppo di un biomateriale:
• ruolo del lifetime di un biomateriale
• ruolo dell’ambiente di applicazione
• ruolo delle proprietà meccaniche e chimico-fisiche
• Casi pratici dello sviluppo di un biomateriale da TRL1 a TRL9.
  Sviluppi nelle applicazioni di Biomateriali in Medicina e Salute.
  Processi di anodizzazione per biocompatibilità dei materiali.
  Biomateriali antimicrobici.
  Biomateriali per trattamento di tumori.
  Biomateriali per Drug Delivery.
  Additive manufacturing di biomateriali.
  Biomateriali per biosensori
  Biomateriali per tatuaggi.
  Applicazioni Industriali di Biomateriali.
  Polimeri di origine biologica, processi di biopolimerizzazione.
  Proprietà dei polimeri e cinetica dei processi di degradazione.
  Applicazioni nell’industria alimentare, l’energetica, la cosmesi.
  Biomateriali “viventi”
  Biomateriali con microorganismi per applicazioni in diversi settori (energia, sensoristica, produzione di composti di interesse industriale).
  Esperienze di Laboratorio:
  1) Preparazione di biomateriali da polimeri di origine biologica
  2) Reologia per la caratterizzazione di biomateriali
  3) Preparazione e caratterizzazione elettrochimica di living biomaterials

L’acquisizione delle nozioni sperimentali verrà valutata tramite le relazioni di laboratorio mentre l’acquisizione delle nozioni teoriche verrà valutata tramite l’esame orale. Verrà valutata anche l’autonomia di giudizio e la capacità di argomentazione ed esposizione dello/a studente/essa.
In particolare, la votazione sarà assegnata secondo i seguenti criteri:
Da 1 a 17: Gli studenti non sono in grado di descrivere le classi di biomateriali e le loro applicazioni, le loro proprietà, e le tecniche di caratterizzazione discusse durante il corso.
Da 18 a 22: Gli studenti descrivono in modo sufficiente le classi di biomateriali, le loro applicazioni, le loro proprietà, e le tecniche di caratterizzazione discusse durante il corso.
Da 23 a 26: Gli studenti forniscono una buona descrizione delle classi di biomateriali, delle loro applicazioni, delle loro proprietà e delle tecniche di caratterizzazione discusse durante il corso.
Da 27 a 30: Gli studenti sono in grado di fornire una descrizione avanzata delle classi di biomateriali, le loro applicazioni, e dimostrano di saper argomentare in modo dettagliato le proprietà desiderate dei biomateriali per specifiche applicazioni, avvalendosi anche delle tecniche di caratterizzazione discusse durante il corso.

• 30 e Lode: Gli studenti dimostrano una elevata autonomia di giudizio nel valutare le proprietà dei biomateriali correlandole alle applicazioni di questi. Argomentano in modo avanzato come avvalersi delle tecniche di caratterizzazione per la valutazione dei biomateriali.

1) “Biomaterials Science”, Eds: Wagner, Zhang, Sakiyama-Elbert, Yaszemski, Elsevier 2020;
2) “Advances in Applications of Industrial Biomaterials”, Eds: Pellicar, Nikolic, Sort, Baro, Zivic, Grujovic, Grujic, Pelemis, Springer 2017;
3) Dispense del Docente.

Conoscenza dei fondamenti di fabbricazione, caratterizzazione e validazione di materiali intelligenti con caratteristiche di scala micro- e nanometrica e comportamento governabile con stimolazione minimamente invasiva per applicazioni avanzate di medicina rigenerativa (ingegneria tissutale, veicolo di farmaco, teranostica e protesica).
Conoscenza dei fondamenti di produzione e validazione di dispositivi microfluidici multicompartimentati per la ricapitolazione di sistemi biologici in vitro e per lo sviluppo di protocolli terapeutici innovativi.

o Padronanza dei contenuti essenziali teorici e metodologici nell’ambito dell’insegnamento impartito;
o Conoscenza e comprensione profonda dei percorsi tematici illustrati attraverso le lezioni frontali;
o Confronto col contesto di ricerca.

o Conoscenza dei metodi sperimentali multidisciplinari descritti attraverso le lezioni frontali e le attività di laboratorio, comprensione del contesto di applicazione e corretta implementazione.

• Autonomia di giudizio:
  o Analisi critica delle fonti di informazioni e dati;
  o Identificazione ed acquisizione delle informazioni necessarie alla risoluzione innovativa di problemi emergenti negli ambiti di ricerca studiati;
  o Selezione e corretta implementazione dei metodi sperimentali acquisiti mediante didattica frontale ed attività di laboratorio individuale in contesto innovativo.
• Abilità comunicative:
  o Trasmissione chiara ed univoca di contenuti multidisciplinari complessi in contesto specialistico.
• Capacità di apprendere in modo autonomo:
  o Accesso mirato e consapevole a banche dati specializzate (Scopus, ISI Web of Knowledge…) per il reperimento di informazioni teoriche e metodologiche atte allo svolgimento di lavoro autonomo in ambito di scientifico (ricerca e sviluppo).

Materiali in ambiente biologico. Somministrazione, biodistribuzione ed escrezione. Biocompatibilità, bioattività e tossicità. Rassegna di metodi di preparazione, modificazione e caratterizzazione di materiali intelligenti per applicazioni biomedicali. Targeting mirato di preparati nanoterapeutici/ nanostrutturati a compartimenti anatomici, popolazioni cellulari e compartimenti intracellulari selezionati. Fuga endosomale. Investigazione dell’interazione cellula-materiale (nanoparticelle e matrici 2D/3D) di breve e lunga durata mediante tecniche analitiche conservative e distruttive.
Dispositivi bioibridi. Studio di processi biologici (proliferazione, differenziazione, migrazione) in presenza di materiali intelligenti (nano/compositi) biocompatibili in sistemi colturali statici e dinamici. Trasduzione di segnali all’interfaccia bio-/non bio. Manipolazione delle proprietà fisiche dei sistemi bioibridi mediante stimolazione minimamente invasiva. Approcci teranostici mediante materiali compositi (nanoparticelle e matrici 2D/3D) foto-, magneto-, meccano- e pH-responsivi con compiti multifunzionali: modelli in vitro ed in vivo. Fabbricazione di scaffold e dispositivi microfluidici multicompartimentati mediante prototipazione rapida (elettrofilatura, bioprinting. fotolitografia tradizionale e a due fotoni). Interfacce bio-/non bio per costrutti robotici (rilievo agli attuatori bioibridi).
Attività di laboratorio: preparazione di dispersioni di nanomateriali; somministrazione delle dispersioni a modello cellulare selezionato; valutazione della risposta cellulare mediante colorazione citochimica e microscopia a fluorescenza.

Modalità di verifica dell’apprendimento:
Prova scritta in itinere (quesiti a risposta aperta).
Prova orale.
Verrà accertata la chiarezza, pertinenza, correttezza, esaustività ed originalità della risposta ai quesiti posti in entrambe le prove.
Criteri di valutazione:

• Conoscenza e capacità di comprensione:
  o Base: comprensione della strutturazione del corso.
  o Intermedia: comprensione delle complessità delle interfacce bio-/non bio.
  o Avanzata: comprensione del cross-talk bio-/non bio in sistemi bioibridi.
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
  o Base: selezione di materiali con proprietà intelligenti/dispositivi biocompatibili per data applicazione biomedicale.
  o Intermedie: selezione delle modalità di somministrazione e tracciamento del materiale. Selezione della tipologia di dispositivo adeguato allo studio biologico scelto od al ripristino funzionale in caso di patologia.
  o Avanzate: selezione delle metodologie di valutazione delle risposte dei modelli biologici ai materiali/dispositivi.
• Autonomia di giudizio:
  o Base: completezza delle informazioni e dei dati sperimentali.
  o Intermedie: correttezza delle informazioni e dei dati sperimentali.
  o Avanzate: analisi comparativa delle informazioni e dei dati sperimentali raccolti mediante tecniche analitiche complementari.
• Abilità comunicative:
  o Base: adozione di corretto linguaggio scientifico e chiarezza espositiva.
  o Intermedie: esaustività degli argomenti esposti.
  o Avanzate: correlazione degli argomenti inerenti tipologie distinte di modelli biologici e di materiali/dispositivi intelligenti.
• Capacità di apprendere:
  o Base: identificazione della metodologia di allestimento di attività di ricerca multidisciplinare.
  o Intermedia: identificazione di problematiche biomediche di avanguardia e loro potenziale risoluzione mediante materiali/dispositivi intelligenti multifunzionali.
  o Avanzata: identificazione delle risorse bibliografiche, materiali e strumentali adeguate alla corretta risoluzione di una problematica di carattere biomedico.
  Criteri di misurazione dell'apprendimento e di attribuzione del voto finale:
  Il voto finale verrà attribuito in base alla media ponderata delle due prove sostenute, secondo i seguenti criteri:
• Prova scritta in itinere (40%);
• Prova orale (60%).

Bio- and Bioinspired Nanomaterials, Wiley 2014, ISBN: 9783527335817
Biofabrication and 3D Tissue Modeling, RSC 2019, ISBN: 978-1-78801-198-3
Surface Design: Applications in Bioscience and Nanotechnology, Wiley 2009, ISBN: 978-3-527-62860-5
Smart Nanoparticles for Biomedicine, Springer 2018, ISBN: 9780128141564

Il corso fornisce una conoscenza approfondita delle principali classi di materiali molecolari e polimerici utilizzati nella fotonica, elettronica e optoelettronica organica, con particolare attenzione ai semiconduttori π-coniugati, complessi organometallici fotoluminescenti e materiali organici con configurazione elettronica radicalica. Vengono esplorate le correlazioni tra le proprietà dei materiali e la loro struttura molecolare o supramolecolare nello stato solido. Inoltre, il corso affronta la progettazione molecolare di materiali organici per applicazioni funzionali, incluse le vie sintetiche e i principi di base per la purificazione e caratterizzazione dei materiali.
Gli studenti sviluppano competenze nell'analisi indipendente, imparando a valutare e selezionare strutture molecolari specifiche per fotonica e optoelettronica, nonché a identificare percorsi sintetici adatti e sostenibili per materiali mirati. Le capacità comunicative sono rafforzate attraverso la descrizione delle proprietà dei materiali organici, la redazione di rapporti sperimentali e l'uso di strumenti digitali per la presentazione delle conoscenze. Infine, si sviluppano abilità di lavoro in team e la capacità di razionalizzare e riprodurre percorsi sintetici per materiali organici destinati a queste applicazioni tecnologiche.

Descrittore di Dublino 1: conoscenza e capacità di comprensione
o Conoscenza delle principali classi di materiali organici per l'elettronica organica e l'optoelettronica.
o Conoscenza della struttura dei dispositivi optoelettronici.
o Capacità di correlare la struttura molecolare con le proprietà ottiche, elettroniche e optoelettroniche, tenendo conto anche dell'organizzazione dello stato solido dei semiconduttori organici.

Descrittore di Dublino 2: capacità di applicare conoscenza e comprensione
o Progettare la sintesi sperimentale, la caratterizzazione e la purificazione di un semiconduttore organico

Descrittore di Dublino 3: capacità critiche e di giudizio

• Autonomia di giudizio
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di valutare la fattibilità di una sintesi organica
  o Essere in grado di svolgere una ricerca bibliografica
  Descrittore di Dublino 4: capacità di comunicare quanto si è appreso.
• Abilità comunicative
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di scrivere una relazione di laboratorio
  o Essere in grado di mostrare in modo efficace e schematico i risultati riportati in letteratura
  o Essere in grado di presentare (oralmente e per iscritto) i risultati sperimentali
  Descrittore di Dublino 5: capacità di proseguire lo studio in modo autonomo nel corso della vita.
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di valutare e discutere la validità dei risultati riportati in letteratura, con la capacità di prevedere nuovi possibili sviluppi.

Organic Semiconductors:
Studio dei livelli HOMO/LUMO e della teoria delle bande per i semiconduttori organici. Meccanismi di trasporto di carica: polaron, bipolaron, solitoni.
Semiconduttori organici con configurazione elettronica open-shell; livelli SOMO e SUMO. Principali applicazioni in optoelettronica e ottica.
Considerazioni generali sulle principali tecniche di deposizione dei materiali organici: Spin-coating, Dipping, Doctor Blade, Inkjet deposition, Roll-to-roll printing.
Organic Field Effect Transistors:
Architettura del dispositivo e meccanismo di funzionamento. Esempi di semiconduttori di tipo p e n.
Organic Light Emitting Diodes (OLEDs):
Architettura del dispositivo e meccanismo di funzionamento. Elettroluminescenza nei semiconduttori organici: eccitoni singolett, doppiette e triplette. Esempi di emettitori fluorescenti. Sintonizzazione del band-gap nei sistemi policondotti: lunghezza di coniugazione, effetto dei sostituenti, effetti sterici, interazioni intercatena. Annihilazione triplet-triplet. Emettitori di fluorescenza ritardata termicamente attivata (TADF) e meccanismo di emissione. Iniezione di carica ed efficienza del dispositivo. OLED multilayer: esempi di materiali ETHB, ECHB e di trasporto per hole ed electron. OLED host-guest: struttura e meccanismo di funzionamento. OLED fosforescenti (PHOLEDs): struttura e meccanismo di funzionamento. Esempi di emettitori fosforescenti. OLED a emissione bianca (WOLEDs): generazione di luce bianca, modulazione e eliminazione. Emettitori di luce bianca: emettitori multipli e singoli.
Multiple Emitters:
Vantaggi e svantaggi dei dispositivi basati su emettitori singoli (SOLEDs), miscele polimeriche. Emettitori singoli: emettitori excimeri, composti a emissione multipla. Polimeri a emissione bianca.
Organic Photovoltaics:
BHJ, DSSC. BHJ: struttura e meccanismo di funzionamento. Accettori di hole/elettroni. Celle Grätzel: struttura e meccanismo di funzionamento. Coloranti tipici utilizzati nei DSSC.
Part 2:
Sintesi di polimeri policondotti: omocoppia ossidativa, processi elettrochimici, reazioni di policondensazione. Sintesi di poli-p-fenilenevinilene (PPVs): reazioni di Wessling e Gilch, reazione di Wittig. Reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate da metalli di transizione con reattivi organometallici e alogenuri arilici: reazioni di Suzuki-Miyaura, Kumada, Stille, Negishi, Hayama. Reazioni di accoppiamento incrociato senza composti organometallici: reazioni di Heck, Heck-Cassar-Sonogashira, arilazione diretta. Progettazione di un percorso sintetico tramite retrosintesi. Esempi ed esercitazioni sulla sintesi di molecole policondotte.
Laboratorio:
Conoscenza delle principali reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate da metalli di transizione e metodi di purificazione e caratterizzazione dei materiali organici coniugati.

Esame Orale e valutazione relazioni sull'esperienze di laboratorio

Organic semiconductors (Wiley Interscience); Stable Radicals: Fundamentals and Applied Aspects of Odd-Electron Compounds (Wiley)

Il corso si propone di fornire agli studenti una comprensione unificata e approfondita delle proprietà strutturali, dinamiche, elettroniche, ottiche e magnetiche della materia condensata, superando la classica divisione tra stato solido e materia soffice. Attraverso lo studio di sistemi molecolari orientati, liquidi, polimeri e solidi cristallini, lo studente acquisirà gli strumenti teorici per comprendere la risposta della materia a campi esterni (elettrici, magnetici, ottici) e le transizioni di fase.

Lo studente dimostrerà di comprendere la struttura atomica e molecolare sia della materia soffice (liquidi, cristalli liquidi, polimeri) sia dei solidi cristallini. Acquisirà familiarità con i modelli quantistici del trasporto elettronico, la teoria delle bande, la risposta dielettrica/ottica non lineare, le proprietà magnetiche e le transizioni di fase.

Lo studente sarà in grado di applicare i modelli teorici ed equazioni fondamentali (come l'equazione di Einstein o la teoria dello scattering) per interpretare misurazioni sperimentali, descrivere il funzionamento di dispositivi a semiconduttore (giunzioni p-n) e prevedere la risposta microscopica dei materiali a sollecitazioni ottiche, elettriche o magnetiche.

Autonomia di giudizio (Making judgements): Attraverso le attività TBL, lo studente svilupperà la capacità di analizzare in modo critico dati fisici, valutare l'applicabilità di specifici modelli teorici e scegliere l'approccio analitico più idoneo per descrivere un dato stato della materia.
Abilità comunicative (Communication skills): Lo studente sarà in grado di esporre concetti complessi della fisica della materia condensata con linguaggio scientifico appropriato, sia durante il colloquio orale sia nel lavoro collaborativo interpersonale del TBL.
Capacità di apprendimento (Learning skills): Lo studente svilupperà l'attitudine a consultare testi specialistici e letteratura scientifica avanzata, impostando in autonomia lo studio di nuovi materiali avanzati e fenomeni fisici complessi.

Modulo 1: Struttura, Dinamica e Proprietà del Trasporto nella Materia Condensata
Struttura dei materiali cristallini, liquidi, cristalli liquidi e polimeri.
Teoria della diffusione di radiazione (Scattering).
Dinamica dei polimeri e viscosità nei sistemi complessi.
Processi di diffusione ed equazione di Einstein.
Modulo 2: Proprietà Elettroniche, Reticolari ed Eccitazioni Elementari
Elettroni nei metalli: modello classico (Drude) e modello quantistico (Sommerfeld).
Elettroni e lacune nei semiconduttori, giunzione p-n e dispositivi correlati.
Fallimento del modello a reticolo statico: fononi ed eccitoni.
Modulo 3: Proprietà Elettriche, Ottiche, Magnetiche e Transizioni di Fase
Suscettività elettrica e suscettività ottica: risposta lineare, anisotropie e nonlinearità del secondo ordine.
Suscettività magnetica: diamagnetismo e paramagnetismo; effetti magnetici e risonanza magnetica (NMR/EPR).
Transizioni di fase del primo e del secondo ordine.

La valutazione finale è espressa in trentesimi e viene calcolata pesando i seguenti elementi:
80% - Colloquio Orale: Discussione sugli argomenti del programma per accertare la padronanza dei concetti, la rigorosità scientifica e la capacità di collegamento tra i diversi argomenti.
20% - Attività TBL: Valutazione del lavoro individuale e di gruppo svolto durante le 2 sessioni di Team-Based Learning tenute nel corso del semestre.

Testo principale: Gert Strobl, Condensed Matter Physics: Crystals, Liquids, Liquid Crystals, and Polymers, Springer.
Letture integrative consigliate: N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, Solid State Physics; C. Kittel, Introduction to Solid State Physics.

Il corso intende affrontare i temi del monitoraggio ambientale dal punto di vista delle tecniche e dei dispositivi utilizzati per rilevare e controllare diversi tipi di inquinanti ambientali.
Alla fine del corso, lo studente dovrà essere in grado di: i) descrivere i principali inquinanti e le loro caratteristiche; ii) comprendere e descrivere i principali sistemi di sensoristica per il monitoraggio ambientale, sia ottici che non ottici; iii) individuare la miglior strategia per il monitoraggio in una data applicazione valutando l’interazione fra gli inquinanti e il sistema di sensoristica.

Conoscenza degli inquinanti e dei loro effetti sull’ambiente e sulla salute umana

• Conoscenza delle tecniche ottiche e non ottiche per il monitoraggio ambientale
• Capacità di comprensione delle diverse strategie di monitoraggio valutando l’interazione degli inquinanti con i sistemi di sensoristica

Abilità di identificare e descrivere in maniera operativa le migliori soluzioni per il monitoraggio di inquinanti a seconda dell’applicazione selezionata

Descrittore di Dublino 3:

• Autonomia di giudizio
• Autonomia nella valutazione e nella descrizione delle diverse tecniche di sensing in base alle figure di merito richieste.
• Autonomia nella valutazione critica della letteratura corrente nell’ambito della sensoristica per monitoraggio ambientale
  Descrittore di Dublino 4:
• Abilità comunicative
  o Capacità di discutere le diverse strategie per il monitoraggio ambientale in diversi contesti utilizzando un linguaggio ed un lessico appropriato.
  Descrittore di Dublino 5:
• Capacità di apprendere in modo autonomo
• Capacità di approfondire in autonomia i contenuti presentati durante il corso, basandosi sullo stato dell’arte della letteratura nell’ambito del monitoraggio ambientale

Monitoraggio ambientale. Introduzione. Principali fonti di inquinamento. Contaminanti nel suolo. Monitoraggio della qualità delle acque. Variabili fisico-chimiche per il monitoraggio di inquinanti nelle acque.
Contaminanti in aria. Classificazione degli inquinanti atmosferici. Procedure di campionamento e analisi. Effetto serra e riscaldamento globale. Monitoraggio di interni e rischi per la salute.
Cifre di merito per la sensoristica. Acquisizione dati e classificazione di sensori. Funzione di trasferimento. Caratteristiche principali dei sensori. Principi fisici per la sensoristica. Esempio: calibrazione di un sensore di gas.
Sensori per il monitoraggio ambientale basati su tecniche ottiche. Assorbimento ed emissione della luce. Spettroscopia roto-vibrazionale. Fondamenti di spettroscopia in assorbimento. Sensori dispersivi e non dispersivi nell'infrarosso. Spettroscopia a laser tunabili. Celle multipasso e cavità ottiche. Spettroscopia fotoacustica. Sensoristica da remoto e imaging iperspettrale.
Sensori per il monitoraggio ambientale basati su tecniche non ottiche. Sensori voltmetrici e amperometrici. Sensori potenziometrici. Sensori resistivi a giunzione metallo-ossido. Gas cromatografia. Sensori elettrochimici. Smart sensors per monitoraggio ambientale.
Analisi di composti organici volatili. Classificazione e sorgenti di VOCs. Casi studio nella rivelazione di VOCs con tecniche ottiche e non ottiche.

La valutazione dell’apprendimento verrà effettuata mediante esame orale, che costituirà il 100% della votazione finale. Durante l’esame orale saranno poste domande generiche e domande specifiche sugli argomenti trattati.

• J. Fraden, "Handbook of Modern Sensors, Physics, Designs, and Applications", Springer;
• M. Campbell, "Sensor Systems for Environmental Monitoring - Vol. 1", Springer Netherlands;
• M. Campbell, "Sensor Systems for Environmental Monitoring - Vol. 2", Springer Netherlands

Al termine del corso, lo studente dovrebbe essere in grado di:

• descrivere i biosensori più comunemente utilizzati oggi e i loro principi di rilevamento
• spiegare come i biosensori vengono utilizzati per diverse applicazioni ambientali e biomediche
• confrontare diverse tecniche riguardanti, ad esempio, sensibilità e selettività
• descrivere ed esaminare criticamente una specifica applicazione nel campo dei biosensori
• proporre un nuovo tipo di biosensore per un dato problema.
• Conoscenza delle principali metodologie biosensoristiche;
• Capacità di comprensione dei differenti approcci legati allo sviluppo di biosensori;
• Capacità di progettare analisi analitiche e di elaborare i dati sperimentali.
• Capacità di analizzare i risultati sperimentali ottenuti attraverso diversi metodi strumentali utilizzando approcci statistici;
• Capacità di comprensione del workflow di un processo di analisi condotte con biosensori;
• Conoscenza della terminologia tecnica applicata ai biosensori.

Descrittore di Dublino 3: autonomia di giudizio.
Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Analizzare i dati raccolti durante le esperienze di laboratorio;
• Confrontarsi costruttivamente con i colleghi e il docente durante le attività laboratoriali.
  Descrittore di Dublino 4: abilità comunicative.
  Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:
• Comunicare in forma scritta i risultati delle esperienze di laboratorio;
• Comunicare per via scritta e orale anche avvalendosi di supporti multimediali, in italiano e in inglese l’oggetto del programma in essere.
  Descrittore di Dublino 5: capacità di apprendere in modo autonomo.
  Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:
• Analizzare i dati ottenuti in laboratorio e interpretazione dei dati;
• Confrontare i risultati sperimentali ottenuti con complessi approcci biosensoristici.

Definizioni di Biosensori: elementi di bioriconoscimento, trasduttori e analisi dei dati. Esempi di come i biosensori vengono utilizzati per diverse applicazioni, con particolare attenzione alle applicazioni ambientali e biomediche (diagnostica).
Validazione del metodo. Sensori basati su proteine/anticorpi: immobilizzazione delle proteine, specificità, costanti di legame, cinematica, diffusione.
Sensori/transduttori elettrochimici e ottici: enzimi redox nei biosensori. Metodi potenziometrici: Fisica dei transistor organici a film sottile. Proprietà fisiche e chimiche dei dispositivi controllati da elettroliti. Biosensori a singola molecola che operano al limite fisico. Diagnosi precoce basata su biosensori bioelettronici per la rilevazione di singole molecole. Parametri analitici dei biosensori. Metodi conduttometrici. Applicazioni del microbilanciamento al quarzo.
Metodi ottici: UV/Vis/IR, fluorescenza, luminescenza, fibre ottiche, risonanza plasmonica di superficie. La diagnostica e altre applicazioni dei biosensori vengono discusse in modo critico con particolare enfasi sulla sensibilità, selettività e stabilità.
Laboratorio:
1. Sviluppare un sensore bioelettronico per la rilevazione di IgG.
2. Sviluppare un biosensore basato sulla risonanza plasmonica di superficie per la rilevazione della proteina C reattiva (CRP).
3. Biosensore elettrochimico per la rilevazione di lattato e glucosio.

Esame orale (70%) e relazioni di laboratorio (30%).

1) D. C. Harris, Quantitative Analytical Chemistry, 7th edition, 2010;
2) Skoog, West, Holler, Crouch. Fundmentals of Analytical Chemistry, 10th edition;
3) Electrochemical Methods A.J. Bard, L.R. Faulkner –Wiley.
(Dei testi indicati solo alcuni capitoli per testo)

Il corso introduce i principi della chimica industriale applicata ai materiali, illustrando le metodologie impiegate per la progettazione, lo sviluppo e l'analisi dei processi industriali secondo criteri di sostenibilità ambientale, economica ed energetica. Vengono analizzati i principali processi di trasformazione delle materie prime in materiali di interesse industriale, mettendo in relazione struttura, proprietà e applicazioni.

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito:
conoscenze dei principi metodologici per l'analisi, la progettazione e l'implementazione dei processi chimici industriali, dalla selezione delle materie prime alla produzione dei materiali, fino alla gestione e valorizzazione dei sottoprodotti e dei rifiuti in un'ottica di economia circolare;
conoscenze dei principali processi industriali per la produzione dei materiali, con particolare riferimento ai materiali polimerici, ai materiali biobased, ai materiali cementizi, ai materiali metallici e ai materiali catalitici;
conoscenze delle relazioni tra processo produttivo, struttura, proprietà chimico-fisiche e proprietà meccaniche dei materiali, finalizzate alla comprensione del loro comportamento e delle principali applicazioni industriali;
conoscenze dei principi della sostenibilità applicati ai processi industriali, comprendenti economia circolare, Life Cycle Assessment (LCA), efficienza delle risorse e decarbonizzazione dei processi produttivi.

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
applicare i principi della chimica industriale all'analisi e all'interpretazione dei principali processi industriali per la produzione dei materiali;
correlare i processi produttivi con la struttura, le proprietà chimico-fisiche e le proprietà meccaniche dei materiali, al fine di prevederne il comportamento e individuarne le applicazioni più appropriate;
valutare e confrontare criticamente differenti processi e tecnologie industriali sulla base di criteri tecnici, ambientali ed economici, considerando gli aspetti legati alla sostenibilità, all'efficienza nell'uso delle risorse e ai principi dell'economia circolare;
analizzare criticamente la letteratura scientifica e casi studio industriali, individuando soluzioni tecnologiche innovative, valutandone vantaggi, limiti e potenziali applicazioni;
selezionare i materiali e i processi produttivi più idonei in funzione delle prestazioni richieste, degli aspetti di sostenibilità e del contesto applicativo.

Autonomia di giudizio (Descrittore di Dublino 3)
Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
valutare criticamente i processi industriali per la produzione dei materiali considerando gli aspetti tecnici, economici, ambientali e di sostenibilità;
confrontare differenti soluzioni tecnologiche sulla base di dati sperimentali e della letteratura scientifica;
formulare giudizi autonomi e motivati nella scelta di materiali e processi produttivi in relazione alle specifiche applicazioni industriali.
Abilità comunicative (Descrittore di Dublino 4)
Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
comunicare in modo chiaro ed efficace, in forma orale e scritta, gli aspetti scientifici e tecnologici relativi ai processi industriali per la produzione dei materiali, utilizzando una terminologia scientifica appropriata;
presentare e discutere criticamente un argomento di approfondimento, integrando i contenuti delle lezioni con informazioni tratte dalla letteratura scientifica recente;
sostenere un confronto tecnico-scientifico argomentando le proprie valutazioni in maniera rigorosa e documentata.
Capacità di apprendere (Descrittore di Dublino 5)
Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
reperire, comprendere e valutare criticamente informazioni provenienti da testi scientifici e dalla letteratura internazionale;
aggiornare autonomamente le proprie conoscenze sui processi industriali, sui materiali e sulle tecnologie emergenti, con particolare attenzione agli aspetti di sostenibilità e innovazione;
sviluppare un approccio autonomo all'apprendimento continuo, necessario per operare in contesti scientifici e industriali in continua evoluzione.

Introduzione alla chimica industriale e ai processi industriali per i materiali: sviluppo dei processi chimici, organizzazione dell'industria chimica, materie prime, prodotti intermedi e prodotti finali, criteri tecnico-economici per la progettazione dei processi.
Sostenibilità dei processi industriali: economia circolare, transizione energetica, digitalizzazione dei processi produttivi, principi della Green Chemistry, progettazione sostenibile, analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment - LCA), normative e strumenti per la valutazione della sostenibilità.
Elementi di ingegneria dei reattori chimici: schemi di processo (BFD, PFD e P&ID), operazioni unitarie, sistemi di controllo, utilities industriali e principi di progettazione dei processi chimici.
Fondamenti di catalisi industriale: aspetti termodinamici e cinetici delle reazioni, catalisi omogenea ed eterogenea, materiali catalitici, preparazione, caratterizzazione, supporti catalitici, meccanismi di disattivazione e applicazioni industriali.
Materiali inorganici per applicazioni strutturali: produzione del cemento Portland, formazione del clinker, idratazione e sviluppo delle proprietà meccaniche del calcestruzzo; ciclo siderurgico tradizionale e processi innovativi per la produzione dell'acciaio a basse emissioni di CO₂.
Materiali polimerici: classificazione, nomenclatura, struttura molecolare, proprietà chimico-fisiche e meccaniche, relazioni struttura-proprietà, polimeri termoplastici e termoindurenti, principali tecnologie di trasformazione e riciclo meccanico e chimico dei materiali plastici.
Produzione industriale dei principali polimeri: sintesi e processi produttivi del polietilene tereftalato (PET), processi di polimerizzazione delle olefine mediante catalizzatori Ziegler-Natta, relazione tra processo produttivo e proprietà del materiale finale.
Biomasse e materiali biobased: concetto di bioraffineria, valorizzazione sostenibile delle biomasse oleose e lignocellulosiche, produzione di biocarburanti, prodotti chimici piattaforma (platform chemicals), biopolimeri e materiali rinnovabili per l'economia circolare.

L'esame consiste in un colloquio orale articolato in due momenti.
Lo studente presenta una presentazione (PowerPoint) su un argomento concordato tra quelli trattati nel corso, approfondendolo attraverso la consultazione della letteratura scientifica recente. La presentazione non dovrà limitarsi a una rassegna descrittiva, ma dovrà evidenziare la capacità di analizzare criticamente le fonti, confrontare approcci e tecnologie differenti e integrare, ove necessario, gli aspetti non sviluppati o solo parzialmente trattati durante le lezioni.
Al termine della presentazione segue un colloquio orale volto a verificare il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti del corso, la capacità di collegare i diversi processi industriali, di discutere le relazioni tra processo, struttura, proprietà e applicazioni dei materiali e di utilizzare un linguaggio scientifico appropriato.
La valutazione terrà conto della correttezza scientifica dei contenuti, della capacità di elaborazione critica, dell'impiego della letteratura scientifica, dell'efficacia della presentazione e delle capacità espositive e argomentative dimostrate durante il colloquio.

Introduction to catalysis and industrial catalitic process Ed. wiley,
Fundamental of industrial chemistry J.A. Tyrell

Le applicazioni dei laser nella lavorazione dei materiali si sono evolute sin dall’invenzione del laser nel 1960. Le prime applicazioni si sono concentrate su processi come il taglio, la saldatura ed i trattamenti termici delle superfici. Nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi processi laser come la formatura laser, la pallinatura, la foratura, la marcatura, la stampa 3D, le microlavorazioni e le nanolavorazioni. Questo corso fornisce le conoscenze di base delle principali aree di applicazione dei laser nel campo del manufacturing ed ha lo scopo di fornire agli studenti laureati il background necessario per prepararli all'industria o al mondo della ricerca in uno qualsiasi di questi settori.

è sufficiente una conoscenza qualitativa ma puntuale dei processi laser e dei fenomeni alla loro base; è valutata positivamente la conoscenza formale dei modelli fisici e matematici che descrivono il processo di interazione laser-materia

È sufficiente individuare la tipologia di processo laser utile per ciascuna applicazione ed essere in grado di stabilire correlazioni tra i parametri laser, i diversi processi di lavorazione, la struttura dei materiali modificati tramite laser e le loro proprietà finali (es. coefficiente di attrito, bagnabilità, adesione, assorbitività, durezza, …)

• Autonomia di giudizio
  è necessario giustificare l’uso della terminologia e dei modelli di analisi appropriati; è valutata positivamente la capacità argomentativa delle scelte di progetto;
• Abilità comunicative
  è necessario utilizzare correttamente la terminologia scientifica; è valutato positivamente l’utilizzo di modalità comunicative multimediali o dimostrative
• Capacità di apprendere
  è necessario essere in grado di attingere autonomamente a fonti diverse e di applicare conoscenze acquisite autonomamente alla soluzione dei problemi

Sistemi di lavorazione laser industriali; Processi di lavorazione laser industriali macro: taglio, saldatura, foratura, marcatura, trattamenti superficiali (hardening, rivestimenti, alligazioni), manifattura additiva. Interazione laser-materia con impulsi laser ultrabrevi in materiali opachi e trasparenti. Regimi di ablazione laser. Microlavorazioni laser: microforatura, microfresatura, testurizzazione superficiale alla microscala ed alla nanoscala, scrittura di guide d’onda, scrittura di reti microfluidiche. Texturing laser per la funzionalizzazione di superfici e applicazioni nel campo della riduzione d’attrito, variazione della bagnabilità, biocompatibilità, antibatterico, variazione della emissività e assorbitività. Laser Induced Breakdown Spectroscopy.
Esperienze di laboratorio: Misura della soglia di ablazione laser; LIBS; microforatura laser; nanostrutturazione di superfici e loro caratterizzazione.

Report scritti sulle esperienze di laboratorio dove verrà valutata l’accuratezza dei dati sperimentali, valutazione degli errori di misura, approfondimento dell’analisi (40%). Esame orale per la parte teorica dove verrà valutata la conoscenza dei contenuti del corso, capacità di elaborazione dei concetti appresi e la capacità di scegliere il tipo di laser con le caratteristiche più opportune in base alla sua specifica applicazione (60%).

Elijah Kannatey-Asibu, Jr., Principles of lasers materials processing, Wiley 2009
Razvan Stoian, Jörn Bonse, Ultrafast Laser Nanostructuring, Springer Series in Optical Sciences 239, 2023
Joerg Volpp, High Power Laser Materials Processing for
Engineers

Il corso si propone di fornire agli studenti i concetti di base sui dispositivi optoelettronici e sulle tecniche di nanofabbricazione. Alla fine del corso ci si aspetta che gli studenti conoscano l'interazione luce-materia dal lontano infrarosso al vicino UV, le proprietà rilevanti dei materiali semiconduttori ed alcuni dei principali effetti quantistici per la progettazione e fabbricazione di dispositivi optoelettronici. Ci si aspetta inoltre che esprimano giudizi e scelte informate su materiali e strutture idonei per la valutazione dei concetti applicativi.

o Struttura cristallina ed energia-momento nei semiconduttori
o Interazione luce-materia dal lontano infrarosso al vicino UV.
o Proprietà quantistiche principali come confinamento e tunneling
o Proprietà rilevanti dei materiali semiconduttori per la progettazione di dispositivi optoelettronici.

o Progettazione e fabbricazione di nanostrutture/film sottili con le proprietà desiderate.
o Concetti di base per la progettazione e fabbricazione di dispositivi optoelettronici.
o Caratterizzazione ottica di nanostrutture/film sottili mediante spettroscopia ellissometrica

• Effettuare giudizi e scelte informate
  o Capacità di scegliere materiali e strutture materiali adeguati per la valutazione dei concetti applicativi
• Comunicare conoscenza e comprensione
  o Abilità comunicative in inglese;
  o Capacità di esporre fenomeni fisici e risultati sperimentali utilizzando un linguaggio scientifico appropriato
• Capacità di continuare ad apprendere
  o Capacità di apprendere approcci efficaci dall'analisi critica di invenzioni cruciali nel campo dell'optoelettronica e della fotonica.

Riepilogo sulla fisica dei semiconduttori, Elementi di meccanica quantistica (confinamento e tunneling), Quantum wells, Onde elettroniche e densitá degli stati, Concentrazione e trasposto di cariche, Proprietà ottiche dei semiconduttori, Effetti eccitonici, Fisica dei dispositivi optoelettronici: fotorivelatori, diodi emettitori di luce, semiconduttori laser, Nanotecnologie moderne (Quantum dots, NV-centers, Grafene) Superfici e difetti, Tecniche di deposizione di film sottili, Litografia e etching, Caratterizzazione delle nanostrutture/film sottili: Microscopia AFM/SEM e Spettroscopia ellissometrica (SE)

Esame orale incentrato sulle nozioni di base dei dispositivi optoelettronici, dei film sottili e delle tecnologie di fabbricazione discusse durante le lezioni. Valutazione di relazioni di laboratorio sui processi di fabbricazione e caratterizzazione di casi di studio.

J. Singh, “Semiconductor optoelectronics”, Mc Graw Hill, 1995.
Thomas Ihn, “Semiconductor nanostructures”, Oxford University Press, 2010
M. Stepanova and S. Dew, “Nanofabrications – Techniques and Principles” Springer 2012.
H. Fujiwara, “Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications”, Wiley, 2007
S.T. Barry, “Chemistry of Atomic Layer Deposition” De Gruyter, 2021

The aim of the course is to provide the fundamental notions on plasma processing for the surface modification of materials (polymers, metals, oxides) in relation to their specific application.
At the end of the course the student will be able to: (i) recognize the differences between the different types of plasma processes (grafting of functional groups, thin film deposition, etching); (ii) understand and predict the influence of the different process parameters on the modifications induced in the materials; (iii) understand the structure-property relationship in materials modified for specific applications.

Expected learning outcomes are:
o Basic aspects of non-equilibrium plasmas at low pressure and at atmospheric pressure
o Knowledge of the main plasma processes used for the surface modification of materials
o Ability to understand the structure-property relationship in plasma modified materials for specific applications

o Evaluation of the structure and performance of the plasmochemical reactors described in class and used during laboratory experiments
o Ability to analyse the effect of the main process parameters on the structure of the modified material
o Ability to select the most suitable processes and parameters to induce the desired modification in materials under study. Identification of the diagnostic techniques necessary for the characterization of the plasma treatments studied and of the modifications induced in the materials.

• Making informed judgments and choices
  o Evaluate the theoretical model suitable for studying the problem, the reliability of the experimental data obtained and the instrumentation suitable for studying the problem
  o Evaluation of the best plant solutions for carrying out plasma treatment of materials, interpretation of the results of diagnostic techniques in defining the structure-property relationship of plasma-modified materials.
• Communicating knowledge and understanding
  o Knowledge of the appropriate scientific language in the context of plasma processes for the surface modification of materials
  o Knowledge of the fundamentals of scientific communication
  o Ability to present scientific results
• Capacities to continue learning
  o Critical analysis of the data obtained in the laboratory and their interpretation
  o Autonomous research of online bibliographic sources

REVIEW OF MATERIAL SURFACE ANALYSIS TECHNIQUES. Surface vs bulk of a material. Sampling depth. Surface characteristics. Surface properties of materials. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Secondary ion mass spectrometry (SIMS). Infrared spectroscopy (IR). Infrared spectroscopy in attenuated total reflectance (ATR). Contact angle theory. Static and dynamic measurement of contact angle. Scanning electron microscopy (SEM). Atomic force microscopy (AFM) and derivative techniques.
FUNDAMENTALS ON PLASMAS. Natural and artificial plasmas, Maxwell-Boltzmann distribution, degrees of freedom, translational, rotational, vibrational, electronic energy. Average energy and temperature. Mean free path, collision frequency. Collisional processes. Conditions of thermodynamic equilibrium, plasma density, electronic temperature. Generation of an electric discharge: Townsend breakdown and Paschen's law. Regions of a glow discharge. Generation of non-equilibrium conditions. Distribution of potentials (instantaneous and average) in a glow discharge and equivalent circuit. Plasma oscillations. Ion transit frequency. Role of active species in plasmas. Plasmochemical reactors: geometry, configurations and components.
PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION. Deposition offluoropolymers from continuous, pulsed and afterglow plasmas. Contact angle and wettability. Plasma processing of biomaterials: PECVD of acrylic acid film (cell-adhesive) and polyethylene oxide (cell-repulsive). PECVD of metal-polymer nanocomposite films for applications in the energy (fuel-cells) and antibacterial (biomaterials) fields. PECVD from organosilanes, monomers and reaction mechanism. Coating for packaging, GTR, WVGTR, permeability. Coating for the protection of metals from corrosion. Single and multilayer coatings. Effect of surface pre-treatments. PECVD of low dielectric constant films for microelectronics (low-k and ultralow-k). Deposition of thin films of transition metal oxides for hydrogen production and photocatalysis (iron oxides and titanium oxides).
DRY ETCHING PROCESSES. Isotropic and anisotropic processes, semantics, effect of ion bombardment. Loading, Photolithography. Sputtering. Sputter yield. Main factors influencing etching. Etching-deposition competition. Fluorinated gas etching: Si, SiO2. Etching in chlorinated gases: Si, n-Si. Al etching. Etching in chlorinated gases: induction time, effect of additives, post-corrosion.
PLASMA TREATMENTS. Grafting of functional groups, aging of plasma-treated polymers, pre-treatments. Plasma treatments to improve metal-plastic adhesion. Effect of VUV radiation in the plasma treatment of polymers. Grafting of functional groups for the attachment of biomolecules. Plasmochemical processes for the treatment of membranes: proton exchange membranes for fuel cells, membranes for gas separation, membranes for liquid separation.
NON-EQUILIBRIUM PLASMS AT ATMOSPHERIC PRESSURE. Corona discharges: generation, applications (electrostatic filters, air pollution control, polymeric surface modifications). DBD discharges: role of the dielectric, geometries, discharge regimes and their identification, memory effect, effect of additives (homogeneous-filamentary transition and discharge contraction). APPLICATIONS OF DBDs. Ozone generation. Plasma Display Panels. Surface modifications of materials (direct and indirect) florination, surface oxidation, grafting or deposition of carboxyl groups. Aerosol assisted DBD deposition, deposition of nanocomposites.

Oral exam.

• Knowledge and understanding:
  o Basic level: Knowledge of the basic principles and interpretation of the phenomena illustrated in class
  o Intermediate level: Knowledge of the main processes of surface modification of materials via plasma
  o Advanced level: Understanding of the structure-property relationship in plasma modified materials for specific applications
• Applying knowledge and understanding:
  o Basic level: Evaluation of the structure and performance of the plasma chemical reactors described in class and used during laboratory experiences
  o Intermediate level: Ability to analyse the effect of the main process parameters on the structure of the modified material
  o Advanced level: Ability to select the most suitable processes and parameters to induce the desired modification in the materials under study. Identification of the diagnostic techniques necessary for the characterization of the plasma treatments studied and of the modifications induced in the materials.
• Making informed judgment and choices:
  o Basic level: Evaluate the theoretical model suitable for studying the problem, the reliability of the experimental data obtained and the instrumentation suitable for studying specific problems
  o Intermediate and advanced level: Evaluation of the best reactor configurations for carrying out plasma treatment of materials, interpretation of the outcomes of diagnostic techniques in defining the structure-property relationship of plasma-modified materials.
• Communication skills:
  o Assessment of the level of knowledge of the correct scientific terminology and of the ability to connect the different topics studied. Assessment of the level of knowledge of the structure of scientific reports, presentation of experimental data, illustrations, graphs, tables, bibliography, presentation organization.
• Learning ability:
  o The learning ability will be assessed during the exam by probing at increasing depth the student skills. The ability to autonomously draw on different sources and to apply autonomously acquired knowledge to problem solving is positively evaluated.

1) F.F, Chen, Lecture notes on principle of plasma processing, Kluver, ISBN 0-306-47497-2;
2) M. Flamm, Plasma Etching: An Introduction, Academic Press, ISBN 0-12-469370-9
3) Plasma Processing of Polymers, R. d’Agostino, P. Favia, F. Fracassi Eds., NATO ASI Series E: Appl. Science, Kluwer Acad. Publ., Dordrecht, The Netherlands
Only some specific chapters and/or sections. Integration with teaching material provided by the teacher (lecture slides and scientific articles).

Understand the fundamental principles of diffraction experiments, including data analysis; methods of characterization of powdered and thin film materials with different level of complexity.

• Knowledge of diffraction methods to analyse systems
• Ability to understand the structural information from a diffraction experiment
• Ability to analyze diffraction data using models
• Ability to extract relevant information for the systems analysis

Dublin Descriptor 3:

• Autonomy of judgment: At the end of the course, the student should be able to
  Analyze the data collected during experiments.
  Dublin Descriptor 4:
• Communication skills: At the end of the course, the student should be able to
  Interpret and present experimental data effectively
  Engage in informal scientific discussions within multidisciplinary teams
  Dublin Descriptor 5:
• Ability to learn autonomously
• Analysis of data obtained and interpretation of the data
• Ability to understand the principle of diffraction techniques

Real Structure of crystals and structural defects. Classification of defects. Point
defects; defect clusters; non‐stoichiometric solids. Line defects: slip and
dislocations; Burgers circuit and vector. Planar defects: partial dislocations; stacking‐faults; antiphase boundaries; crystallographic shear structures; twinboundaries; Examples of defects in polymers, layered materials, nanocrystals. X‐ray topography.
Line profile analysis - peak fitting and line profile analysis with the emphasis on size broadening and inhomogeneous strain broadening; Williamson-Hall and Warren-Averbach analysis; Williamson-Hall and Warren-Averbach analysis.
Properties and structural analysis of complex materials: NTE materials, layered structures, microporous materials, superconducting materials, magnetic materials, cements, polymers, nanomaterials.
Thin film characterization: composition, texture, stress, thickness, crystallinity.
Short range analysis of crystalline and amorphous materials: Total X-ray scattering and pair distribution function (PDF) analysis; X-ray absorption spectroscopy.
Transformations and reactivity in crystalline solids: classification of solid state transformations; polymorphism. Solid solution; Order-disorder phenomena. Structural changes with composition, pressure and temperature.
Experimental techniques for structural characterization: X-ray powder diffraction; description of large scale facilities for synchrotron radiation and neutrons; Overview of Rietveld method and QPA. Raman spectroscopy.

The final grade is awarded out of thirty. The exam is passed when the grade is
greater than or equal to 18. In formulating the final judgement, mainly the oral
interview will be taken into account. The commitment, the degree of autonomy and
the method of approach shown by the student in dealing with the practical exercises carried out both in the classroom and in the laboratory during the course of the lessons will also be positively judged. To achieve a high evaluation, the student musthave developed autonomy of judgement and adequate capacity for argumentation and presentation.

Only selected chapters of the following books:
1) X-ray diffraction for Materials Research, M.Lee (Apple Academic Press);
2) Solid State Materials Chemistry (English Edition) 1° Edizione, Patrick M. Woodward
3) Inorganic Materials Chemistry, Mark Weller (Oxford Science publications);
4) Solid state chemistry and its application, West (John Wiley and Sons).
Lecture notes, such as PowerPoint slides, will be provided via email or dedicated Teams channel.

• Acquisizione della conoscenza delle proprietà chimico-fisiche dipendenti dalla dimensione di materiali nanostrutturati inorganici e ibridi
• Acquisizione di conoscenze sugli approcci chimici per ottenere tali nanomateriali
• Comprensione delle modalità di integrazione delle nanostrutture in sistemi e dispositivi per applicazioni specifiche
• Conoscenza dei concetti generali e dei fenomeni chimico-fisici rilevanti nel campo dei nanomateriali. Conoscenza dei cambiamenti nelle dimensioni finite sulle proprietà dei materiali nanostrutturati
• Strategie di sintesi di nanomateriali, nanoparticelle e nanocristalli come building-block per materiali nanostrutturati e componenti nanocompositi
• Capacità di progettare le proprietà di materiali nanostrutturati attraverso opportune strategie di sintesi.
• Capacità di identificare le proprietà in funzione delle dimensioni a seconda delle applicazioni specifiche (materiali da design)
• Autonomia di giudizio
• Capacità di valutare approcci multidisciplinari alla progettazione, implementazione, caratterizzazione e applicazione di materiali nanostrutturat
• Capacità di selezionare tecniche appropriate per la determinazione e valutazione delle proprietà chimico-fisiche di materiali nanostrutturati
• Capacità di identificare approcci multiscala adatti alla delucidazione delle proprietà dei materiali nanostrutturati
• Abilità comunicative
• Conoscenza del linguaggio scientifico e terminologia appropriata in riferimento al campo dei nanomateriali e delle nanoscienze
• Conoscenza dei fondamenti della comunicazione scientifica
• Capacità di presentare risultati scientifici
• Capacità di apprendere in modo autonomo
• Acquisizione di conoscenze attraverso l'uso appropriato della letteratura scientifica e di banche dati ed esperimenti online, adeguatamente progettati, eseguiti e interpretati
• Valutazione critica dei risultati sperimentali attraverso procedure di standardizzazione e confronto con fonti bibliografiche

• Introduzione. Nanotecnologie, nanoscienze, nanochimica, nanomateriali, nanoparticelle e nanocristalli: terminologia e definizioni
• Approcci sintetici e loro rilevanza per la progettazione di nanomateriali con proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni
• Studio, determinazione e interpretazione delle proprietà originarie di nanoparticelle e nanocristalli inorganici. Relazione struttura-funzione relativa alle proprietà optoelettroniche dei materiali nanostrutturati
• Ruolo della superficie, interfaccia e chimica di superficie nei nanomateriali, strategie di ingegneria delle superfici e strumenti di indagine chimico-fisica per lo studio delle loro caratteristiche attraverso diverse scale dimensionali
• (Auto)assemblaggi di nanoparticelle e nanocristalli: meccanismi di (auto)organizzazione, dalla scala molecolare alla nanoscala, fino alla mesoscala: strategie sperimentali e studio delle proprietà chimico-fisiche dei risultanti materiali nanostrutturati
• Nanocompositi a base polimerica contenenti nanoparticelle e nanocristalli: fabbricazione e studio delle proprietà originali derivanti dalla combinazione dei vari componenti nel composito
• Integrazione di nanomateriali in sistemi e dispositivi per applicazioni tecnologiche, comprese le scienze della vita, la conversione dell'energia e l'ambiente.
• Nanomateriali e società: impatto sociale ed economico, sicurezza, ambiente e salute, considerazioni etiche

l voto finale sarà attribuito in trentesimi, e l'esame è superato se si ottiene almeno 18 su 30. Una prova orale valuterà il livello di conoscenza e comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma (70%) mentre una relazione scritta sulle esperienze di laboratorio e sulla loro discussione critica, volta a valutare la capacità di applicare concetti teorici a esperienze pratiche (30%)

• Conoscenza e capacità di comprensione:
  o Livello minimo:
• proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni in materiali inorganici nanostrutturati
• i fondamenti della relazione struttura-proprietà nei nanomateriali inorganici
• classificazione di metodologie sintetiche e strategie di controllo delle proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni
• classificazione delle metodologie di funzionalizzazione superficiale dei materiali nanostrutturati
• classificazione delle strategie di fabbricazione di sistemi organizzati basati su nanoparticelle e nanocristalli e nanocompositi.
  o Livello intermedio:
• leggi di scala nei nanomateriali
• meccanismi di sintesi colloidale delle nanoparticelle
• meccanismi alla base delle strategie per l'ingegneria della superficie delle nanoparticelle
• comprensione dei fenomeni alla base dell'organizzazione delle nanostrutture e della fabbricazione di nanocompositi
  o Livello superiore
• conoscenza dettagliata dei meccanismi di sintesi per controllare la forma e le dimensioni di nanoparticelle e nanocristalli
• conoscenza dettagliata delle strategie per l'autoassemblaggio delle nanoparticelle e la preparazione dei nanocompositi e la loro applicazione per ottenere materiali funzionali per applicazioni specifiche
• identificazione di strategie di funzionalizzazione superficiale di materiali nanostrutturati secondo specifiche applicazioni
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate
  o Tutti i livelli: conoscenza del potenziale tecnologico delle proprietà chimico-fisiche dei materiali nanostrutturati
  o Si prevede la capacità di identificare metodi sperimentali in grado di modulare e controllare le proprietà dei materiali nanostrutturati risultanti
• Autonomia di giudizio
  o Livello minimo: valutazione della capacità di identificare metodi di sintesi, funzionalizzazione e tecniche di fabbricazione di nanomateriali in funzione delle proprietà finali dei materiali nanostrutturati,
  o Livello intermedio e superiore: valutazione della capacità di identificare strategie di preparazione delle nanostrutture, tecniche di caratterizzazione e metodologie di integrazione in materiali, sistemi e dispositivi secondo le loro potenziali applicazioni tecnologiche, in una visione multidisciplinare
• Abilità comunicative
  o Tutti i livelli: valutazione del livello di conoscenza dei seguenti elementi: struttura e componenti di relazioni scientifiche, presentazione di dati sperimentali, illustrazioni, grafici, tabelle, bibliografia, organizzazione della presentazione
• Capacità di apprendimento
  o Tutti i livelli: La capacità di apprendimento sarà valutata durante l'esame sondando in modo sempre più approfondito le capacità dello studente
  Verifica dell'acquisizione delle conoscenze teoriche e sperimentali del corso e capacità di integrarle nell'ambito del quadro fisico-chimico complessivo.
  Punteggi:
  Da 1 a 17 - lo studente non è in grado di fornire una descrizione di base dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Dalle 18 alle 24 - lo studente è in grado di fornire una descrizione di base dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Da 25 a 27 - lo studente è in grado di fornire una buona descrizione dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Da 28 a 30 e lode - lo studente è in grado di fornire una descrizione avanzata dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso, correlandoli opportunamente con la teoria.

“Concept of Nanochemistry” L. Cademartiri, G. A. Ozin Weinheim, Wiley-VCH
“Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications” Guozhong Cao Ying Wang World Scientific.
Articoli scientifici, review e capitoli di libri selezionati indicati come materiale di riferimento durante il corso, insieme alle slide delle lezioni integreranno i testi di riferimento