Insegnamento COMPLEMENTI DI FISICA DELLA MATERIA

Nome del corso di laurea	Fisica
Codice insegnamento	GP005531
Curriculum	Fisica teorica
Docente responsabile	Silvia Corezzi
Docenti	Silvia Corezzi
Ore	42 Ore - Silvia Corezzi
CFU	6
Regolamento	Coorte 2020
Erogato	Erogato nel 2021/22
Erogato altro regolamento
Attività	Affine/integrativa
Ambito	Attività formative affini o integrative
Settore	FIS/03
Anno	2
Periodo	Primo Semestre
Tipo insegnamento	Opzionale (Optional)
Tipo attività	Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento	ITALIANO
Contenuti	(1) Introduzione alla Fisica della Materia Soffice (2) Reologia della materia soffice: La materia soffice è solida o liquida? (3) Dinamiche nella materia soffice e risposta lineare (4) I colloidi e le interazioni nella materia soffice
Testi di riferimento	Dispense didattiche ed altro materiale forniti dal docente, a integrazione degli appunti di lezione. Nessun libro di testo specifico.
Obiettivi formativi	Il Corso di COMPLEMENTI DI STRUTTURA DELLA MATERIA si prefigge di fornire competenze scientifiche nel campo della struttura della materia condensata complementari a quelle fornite da atri corsi di struttura, fornendo agli studenti una introduzione alla fisica della materia soffice, con nozioni a livello macroscopico e microscopico, applicabili ad ampie classi di materiali in ambito tecnologico e biofisico. Le principali conoscenze acquisite saranno: (1) le caratteristiche fondamentali della materia soffice, le sue proprietà viscoelastiche e dinamiche, e i principali metodi di indagine; (2) i fondamenti della teoria della risposta lineare, su cui si basa lo studio della dinamica dei sistemi disordinati mediante diverse tecniche sperimentali; (3) basi di conoscenza specifiche sui sistemi colloidali e le loro interazioni. Le principali abilità attese saranno: - superamento dell'apprendimento nozionistico delle informazioni, capacità di sviluppare collegamenti e ragionamenti autonomi utili all'applicazione in vari campi di ricerca delle conoscenze fisiche specifiche apprese nel corso.
Prerequisiti	Pre-requisiti non essenziali ma importanti: (1) fondamenti di struttura della materia condensata; (2) basi di meccanica statistica.
Metodi didattici	Il corso di COMPLEMENTI DI FISICA DELLA MATERIA viene svolto con lezioni frontali in aula. Sulla piattaforma Unistudium verranno rese disponibili brevi dispense preparate dal docente, e caricato materiale didattico utile (ma non vincolante) per lo svolgimento della prima parte della prova di esame.
Altre informazioni	La frequenza delle lezioni è fortemente consigliata.
Modalità di verifica dell'apprendimento	L’esame consiste in una prova orale che ha l’obiettivo di verificare l’apprendimento e la comprensione degli argomenti svolti. La prova consiste di due parti: nella prima parte lo studente è richiesto di presentare e discutere criticamente un lavoro scientifico a sua scelta su tematiche attinenti agli argomenti del corso. Nella seconda parte viene verificato, mediante colloquio con il docente, l’apprendimento delle conoscenze specifiche acquisite durante il corso. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visitare la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso	- INTRODUZIONE ALLA FISICA DELLA MATERIA SOFFICE Che cos'è la materia soffice? Esempi di materiali soffici: polimeri,colloidi, surfattanti, cristalli liquidi, materia granulare, vetri. Definizione dello stato vetroso; generalità sulla transizione vetrosa e temperatura di transizione vetrosa. I polimeri: definizione di polimero; principali categorie di polimeri sintetici e naturali; architetture polimeriche (lineare, ramificata, crosslinked); polimeri termoplastici, elastomeri, termoindurenti; principali meccanismi di polimerizzazione (per condensazione e per addizione, a catena e a stadi). I colloidi: definizione di colloide; forme; strutture (sol, gel, cristallo colloidale, vetro colloidale). I surfattanti: definizione di surfattante; strutture (micelle dirette e micelle inverse, microemulsioni ed emulsioni, lamelle, vescicole, cilindri, fasi cubiche). I cristalli liquidi: nematici, smettici, colesterici. Perchè sono soffici? Caratterizzazione del comportamento meccanico di un solido mediante modulo elastico di bulk, modulo elastico di shear, modulo di Young e rapporto di Poisson, modulo elastico longitudinale. Stima del modulo di shear per un solido metallico e per un colloide. Origine della sofficità nella materia soffice. Caratteristiche della materia soffice: grande risposta allo stress, dinamica lenta, self-assembly, organizzazione sovramolecolare. - REOLOGIA DELLA MATERIA SOFFICE: LA MATERIA SOFFICE È SOLIDA O LIQUIDA? Come risponde la materia soffice ad uno sforzo di taglio? Reologia del solido elastico: caratterizzazione reologica macroscopica mediante modulo elastico di shear; modulo elastico di shear a livello microscopico. Reologia del liquido Newtoniano: caratterizzazione macroscopica mediante viscosità di shear; viscosità di shear a livello microscopico. Il concetto di viscoelasticità. Diversi tipi di comportamento reologico nella materia soffice. I principali modelli meccanici a molle e smorzatori per rappresentare il comportamento viscoelastico. Origine microscopica dell'elasticità nei polimeri: il modello Freely Jointed Chain (FJC). Vettore testa-coda. Distanza quadratica media testa-coda. Distribuzione di probabilità del vettore testa-coda. Espressione della forza elastica entropica sviluppata da una singola catena polimerica per piccole estensioni della catena. Espressione generale dell'estensione di una catena polimerica in funzione della forza da essa sviluppata: limite di forza debole e limite di forza intensa. Limiti di applicabilità del modello FJC. Applicazione del modello FJC al calcolo del modulo di shear di un gel polimerico crosslinkato. Origine microscopica della viscoelasticitò dei materiali polimerici (cenni). Geometrie sperimentali di misura delle proprietà reologiche dei polimeri fusi e delle soluzioni polimeriche: geometria a cilindro concentrico, geometria piatto-piatto e piatto-cono. - DINAMICHE NELLA MATERIA SOFFICE E RISPOSTA LINEARE Generalità sulle metodologie di investigazione della dinamica nella materia soffice. Fenomenologia della risposta lineare. Introduzione del concetto di forza e spostamento generalizzati. Funzione di risposta. Funzione di rilassamento. Relazione tra funzione di risposta e funzione di rilassamento, e loro significato fisico. Suscettività generalizzata. Modulo generalizzato. Relazione fra modulo e suscettività. Proprietà generali della suscettività generalizzata. Dimostrazione delle relazioni di dispersione di Kramers-Kronig. Connessione logica fra causalità e dispersione. Connessione fra parte immaginaria della suscettività e assorbimento di energia. Esempi di tecniche per misurare un rilassamento nel dominio del tempo (e.g., creep meccanico) e nel dominio della frequenza (e.g., spettroscopia dielettrica e reologia). Descrizione fenomenologica dei processi di rilassamento nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza: funzione di rilassamento di tipo esponenziale (o Debye) e di tipo esponenziale "stirato" (o KWW); suscettività di tipo Debye, Cole-Cole, Cole-Davidson, Havriliak-Negami. Fluttuazioni e funzione di correlazione temporale. Spettro di potenza (o densità spettrale). Teorema di Wiener-Kintchine (enuciato e dimostrazione). Esempi di tecniche per acquisire fluttuazioni nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza mediante lo scattering di luce visibile (spettroscopia di fotocorrelazione e interferometria Fabry-Pèrot) ed altre spettroscopie (e.g., spettroscopia Raman e neutronica). Richiami di meccanica statistica classica: spazio delle fasi; operatore di Liouville; funzione di distribuzione statistica; equazione di Liouville. Meccanica statistica della risposta lineare. Formula di Kubo. Teorema di fluttuazione-dissipazione. Un esempio: calcolo della tensione di rumore ai capi di un condensatore riempito di materiale dielettrico. - I COLLOIDI E LE INTERAZIONI NELLA MATERIA SOFFICE Introduzione ai processi casuali: variabile casuale (o stocastica); processo casuale; processo casuale stazionario. Probabilità e probabilità condizionata. Processi Markoviani. Equazione di Smoluchowki. Derivazione dell’equazione di Fokker-Planck. Il moto Browniano: definizione e cenni storici. Trattazione Fokker-Plank del moto Browniano: equazione di Langevin; equazione Fokker-Planck per la velocità e relazione di Stokes-Einstein; equazione Fokker-Planck per la posizione e soluzione in regime diffusivo. Trattazione di Einstein del moto Browniano: derivazione dell'equazione di diffusione per una particella Browniana; derivazione della relazione di Stokes-Einstein. Introduzione alla teoria della diffusione della luce (light scattering): l'esperimento di scattering; formula generale dello scattering di luce (derivazione); geometrie di scattering. Approccio molecolare allo scattering della luce. Scattering della luce da molecole sferiche in soluzione diluita. Applicazione della spettroscopia di fotocorrelazione alla determinazione della dimensione di particelle browniane. Elementi di scattering di luce Brillouin e applicazione della spettroscopia Brillouin alla determinazione dei moduli elastici di materiali isotropi. Interazioni colloidali. Forza di Van der Waals. Forza Coulombiana schermata: lunghezza di Debye (o di "screening"). La teoria DLVO. Stabilità vs. aggregazione colloidale; aggregazione in regime diffusion-controlled e in regime reaction-controlled. Forze di svuotamento (o di deplezione). Esempi di sfruttamento dell’interazione di deplezione: colloidi "lock and key" e particelle “patchy”. Il problema della stabilizzazione dei colloidi: soluzione mediante l’uso di cariche e mediante l’uso di brush polimeriche.