Insegnamento CHIMICA FISICA AVANZATA

Corso
Scienze chimiche
Codice insegnamento
GP004048
Curriculum
Chimica fisica
Docente
Pier Luigi Gentili
CFU
13
Regolamento
Coorte 2023
Erogato
2023/24
Tipo insegnamento
Obbligatorio (Required)
Tipo attività
Attività formativa integrata

INVESTIGATIONS INTO COMPLEX SYSTEMS

Codice A003059
CFU 7
Docente Pier Luigi Gentili
Docenti
  • Pier Luigi Gentili
Ore
  • 59 ore - Pier Luigi Gentili
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Settore CHIM/02
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento ITALIANO, INGLESE
Contenuti Significato di Complessità Naturale e Complessità Epistemologica. Fondamenti della termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare. Reazioni chimiche oscillanti. Caos e Frattali. Si effettueranno 4 esperienze di laboratorio per testare i principi della Termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare.
Testi di riferimento P. L. Gentili, “Untangling Complex Systems: A Grand Challenge for Science”, CRC Press, 2018, ISBN 9781466509429.
Obiettivi formativi Il modulo “Indagini di Sistemi Complessi” rappresenta l’unico insegnamento di Termodinamica di non-equilibrio e di dinamica non-lineare per gli studenti della Laurea Magistrale in Scienze Chimiche. L’obiettivo principale di questo modulo è quello di fornire agli studenti le basi concettuali e metodologiche per affrontare l’indagine interdisciplinare di Sistemi Complessi. Le principali conoscenze che devono esser acquisite da parte dello studente sono:
•criteri evolutivi di sistemi chimico-fisici fuori dall’equilibrio;
•auto-organizzazione;
•determinismo caotico e strutture frattaliche;
•Complessità Naturale ed Epistemologica.
Le conoscenze acquisite consentiranno allo studente di:
•provare a predire l’evoluzione di sistemi fuori dall’equilibrio;
•studiare sperimentalmente processi chimico-fisici di auto-organizzazione;
•apprezzare i limiti conoscitivi della scienza quando si trattano processi deterministici caotici;
•caratterizzare le strutture frattaliche.
Prerequisiti Conoscenza della Termodinamica di equilibrio.
Metodi didattici Il corso è organizzato in due fasi. La prima fase consiste nelle lezioni frontali (per un totale di 5 CFU) svolte in aula su tutti gli argomenti del corso e coadiuvato da filmati. La seconda fase consiste in quattro esercitazioni di laboratorio (per un totale di 2 CFU) della durata di sei ore ciascuna. Le esperienze verranno condotte presso il Laboratorio di Fotofisica e Fotochimica del Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie. Gli studenti saranno divisi in gruppi (massimo tre studenti per gruppo) ed eseguiranno le esperienze in parallelo utilizzando diverse strumentazioni disponibili nel laboratorio.
Altre informazioni Per altre informazioni, contattare il docente.
Modalità di verifica dell'apprendimento L’apprendimento degli argomenti del corso è testato in due modi. Una prova scritta che consiste nella stesura delle relazioni delle esperienze di laboratorio. Una prova orale con domande inerenti agli argomenti svolti nella parte frontale del corso. Le relazioni dovranno esser consegnate prima di sostenere la prova orale. Le relazioni di laboratorio consentiranno di verificare la capacità di rielaborare e presentare i dati sperimentali. La prova orale prevederà domande sui principi della Termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare. Gli studenti e le studentesse dovranno dimostrare di aver acquisito le metodologie ed i principi indispensabili per affrontare l’indagine dei Sistemi Complessi. La prova orale durerà tra i 30 e 40 minuti.
Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)
Programma esteso Gli argomenti che sono trattati sono i seguenti:1) Introduzione alla Complessità Naturale ed alla Scienza della Complessità. 2) Rivisitazione approfondita del II Principio della Termodinamica. 3) Termodinamica di non-equilibrio. Flussi e Forze. Regimi lineare e non-lineare. Produzione di entropia e criteri di evoluzione per sistemi fuori dall'equilibrio. 4) Analisi lineare di stabilità degli stati stazionari: stati stabili, instabili ed oscillanti. 5) Reazioni chimiche oscillanti, onde chimiche. Strutture di Turing. Precipitazioni periodiche. 6) Approfondimenti sulle dinamiche in regime non-lineare: Biforcazioni e Determinismo Caotico. Esempio della convezione. 7) Frattali. 8) Sfide della Complessità Naturale ed Epistemologica. In laboratorio vengono eseguiti degli esperimenti che consentono di testare la parte teorica del corso.
Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile L'Agenda 2030 include sfide globali. Per vincere queste sfide globali è necessario conoscere i Sistemi Complessi. Questo corso fornisce contenuti e metodologie importanti per la comprensione dei Sistemi Complessi e quindi favorisce il raggiungimento degli obiettivi dell'Agenda 2030.

PROCESSI DINAMICI NEI FLUIDI

Codice A001539
CFU 6
Docente Martina Alunni Cardinali
Docenti
  • Martina Alunni Cardinali
Ore
  • 47 ore - Martina Alunni Cardinali
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Settore CHIM/02
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento Italiano
Contenuti Il corso si articola in due macroaree: una prima parte concentrata sullo studio dei principi fondamentali di ottica, a partire dalle caratteristiche della radiazione elettromagnetica, le leggi principali di rifrazione e riflessione, lo studio di specchi, lenti e formazione di immagini, fino ai principi fondamentali di ottica ondulatoria quali interferenza e diffrazione. Tali concetti vengono poi approfonditi nelle loro principali applicazioni spettroscopiche (spettrometri di tipo interferometrico e di tipo dispersivo, funzionamento di laser e dei principali elementi ottici). La seconda parte del corso si concentra invece sullo studio delle proprietà della materia soffice, con approfondimenti sulla dinamica di tale sistemi. Vengono discusse le principali tecniche per lo studio della materia soffice con una particolare attenzione ai processi dinamici non reattivi in fase liquida, mediante l'uso della spettroscopia di light scattering. Vengono analizzati i gradi di libertà rotazionali e traslazionali, utilizzando il formalismo delle funzioni di autocorrelazione temporale, per ottenere informazioni sui processi idrodinamici e diffusivi, e stocastici. Viene infine approfondito l'esperimento di scattering di luce dinamico tramite spettroscopia Brillouin e i concetti di propagazione dell'onda acustica e di modulo elastico longitudinale, con esempi di applicazione in ambito della materia soffice.
Testi di riferimento Fondamenti di fisica - David Halliday e Robert Resnick
Chimica Fisica - Peter William Atkins, Julio De Paula, James Keeler
Scattering di Luce Dinamico – con applicazioni in Chimica, Biologia Fisica- B.B. Berne, R. Pecora
Fisica della Materia Soffice - Masao Doi
Obiettivi formativi L'obiettivo principale dell'insegnamento è fornire agli studenti le basi di fisica ottica e ondulatoria per avere una conoscenza più approfondita del funzionamento delle più comuni strumentazioni spettroscopiche, e per affrontare studi di dinamica della materia soffice con particolare attenzione alle tecniche di scattering di luce. In questo contesto, la conoscenza dello strumento matematico delle funzioni di correlazione temporale nell'analisi di processi stocastici e della trasformata di Fourier apre alla possibilità di passare dal dominio delle frequenze a quello dei tempi, e viceversa al fine di ottenere un quadro dinamico completo del sistema molecolare esaminato.
Prerequisiti Elementi di base di fisica (vettori e versori) e di spettroscopia molecolare.
Metodi didattici Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio.
Altre informazioni e-mail di contatto: martina.alunnicardinali@unipg.it
Modalità di verifica dell'apprendimento Esame orale e valutazione di una relazione di laboratorio su un'esperienza di spettroscopia di light scattering. La relazione di laboratorio dovrà essere consegnata, insieme a quelle del modulo di "Investigation into complex system", prima della prova orale e consentirà di verificare la capacità di rielaborare e presentare i dati sperimentali. Il voto della relazione verrà mediato con quelli delle relazioni del modulo di "Investigation into complex system". La prova orale prevederà domande di fisica ottica ed ondulatoria e domande inerenti alle proprietà della materia soffice. Gli studenti e le studentesse dovranno dimostrare di aver acquisito una conoscenza approfondita del funzionamento delle più comuni strumentazioni spettroscopiche e di saper descrivere la dinamica della materia soffice. La prova orale durerà tra i 30 e 40 minuti.
Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).
Programma esteso 1. Ottica I. Radiazione Elettromagnetica: equazioni di Maxwell e correzione della legge di Amperè. Generazione e propagazione dell’onda elettromagnetica. Trasporto di energia e intensità dell’onda elettromagnetica. Spettro elettromagnetico. Propagazione della luce nel vuoto e nella materia. Riflessione e Rifrazione della luce. Riflessione totale (ATR).
2. Ottica II. Polarizzazione dell’onda elettromagnetica (applicazione, lamina polaroid). Polarizzazione per riflessione. Birifrangenza. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Attività ottica e dicroismo circolare.
3. Specchi e Lenti. Formazione dell’immagine, ottica geometrica e ottica ondulatoria. Cenni a specchi piani e sferici. Lenti sottili (applicazione, strumenti ottici comuni).
4. L’interferenza ed esperimento di Young. Coerenza spaziale e temporale. Interferenza da lamine sottili.
5. Diffrazione e teoria ondulatoria. Diffrazione attraverso il foro circolare. Risoluzione ottica spaziale.
6. Spettroscopia FT-IR e ATR-FTIR. Principi di IR. Interferometro di Michelson. Trasformata di Fourier Continua e Discreta. Vantaggi dell'FT-IR.
7. Strumentazione dispersiva: Spettroscopia Raman dispersiva. Meccanismo di funzionamento del laser. Reticoli di diffrazione. Dispersione e potere risolutivo.

B) Light Scattering e Materia Soffice

1. Materia Soffice I. Origine del termine e definizione. Caratteristiche generali della materia soffice: interazioni intermolecolari, organizzazione strutturale, dinamica, parametro d’ordine e transizione di fase, polidispersione.
2. Materia Soffice II. Tecniche per lo studio della materia soffice: microscopia, light scattering, scattering di raggi X e neutroni, reologia, calorimetria, altri metodi spettroscopici.
3. Dynamic Light Scattering I. Storia e origini. Scale temporali di alcuni processi chimici di interesse. Funzioni di autocorrelazione nel tempo e fluttuazioni.
4. Dynamic Light Scattering II. Teoria del Light Scattering. L’esperimento di light scattering: geometrie di scattering, caratteristiche di sorgente, spettrometro e detector. Brillouin Light Scattering: principi di funzionamento. Onda acustica e oscillatore armonico smorzato. Design sperimentale e set-up Raman combinato. Interferometro di Fabry-Perot. Moduli elastici. Applicazioni in campo biologico.
Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile Aumentare la conoscenza della fisica della materia soffice, la quale ha spesso caratteristiche di sistema complesso.
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