Insegnamento NANOTECNOLOGIE DEI MATERIALI
| Nome del corso di laurea | Ingegneria dei materiali e dei processi sostenibili |
|---|---|
| Codice insegnamento | A002500 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| Docente responsabile | Luca Valentini |
| CFU | 12 |
| Regolamento | Coorte 2023 |
| Erogato | Erogato nel 2023/24 |
| Erogato altro regolamento | |
| Anno | 1 |
| Periodo | Annuale |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa integrata |
| Suddivisione |
MATERIALI FUNZIONALI AVANZATI
| Codice | A002502 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Luca Valentini |
| Docenti |
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| Ore |
|
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Ingegneria dei materiali |
| Settore | ING-IND/22 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | 1) conoscere le strutture delle molecole organiche ed inorganiche più utilizzate nel campo dei nano-dispositivi; 2) conoscere le metodologie di sintesi principali per la loro preparazione; 3) conoscere le relazioni struttura-proprietà e le tecniche per la caratterizzazione; 4) comprendere le applicazioni più recenti e il funzionamento di diversi dispositivi. |
| Testi di riferimento | Dispense del Docente consultabili sul sito https://www.unistudium.unipg.it/ |
| Obiettivi formativi | Implementare la conoscenza di materiali funzionali in virtù delle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche), per lo sviluppo di strutture ed infrastrutture ingegneristiche innovative; consentire allo studente di sviluppare competenze trasversali che servano per selezionare, progettare ed integrare nuovi materiali in dispositivi che siano sostenibili in termini di costi del processo di produzione, riduzione del consumo energetico e portabilità. Lo studente acquisirà infine una capacità individuale di "problem solving" ingegneristico. Avere l’opportunità di seguire seminari tenuti da esperti sia di estrazione accademica che industriale per conoscere le tematiche di maggiore interesse per un efficace trasferimento tecnologico. |
| Prerequisiti | Al fine di comprendere e saper applicare gli argomenti e le tecniche descritte nell'insegnamento non è necessario aver sostenuto altri esami del corso di laurea. Tuttavia, le conoscenze richieste per comprendere i contenuti del corso e raggiungere gli obiettivi formativi previsti sono le seguenti: Analisi Matematica: saper fare derivate ed integrali. Fisica: nozioni di elettromagnetismo. Scienza e Tecnologie dei Materiali: conoscere le nozioni base delle strutture cristalline, proprietà meccaniche dei materiali e di meccanica della frattura. La conoscenza di queste tecniche rappresenta un prerequisito indispensabile per lo studente che voglia seguire il corso con profitto. |
| Metodi didattici | Il corso è organizzato nel seguente modo: - lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso; - esercitazioni in aula volte alla corretta applicazione dei concetti studiati per la risoluzione di esercizi numerici e di problemi pratico-applicativi. Durante tutto il corso si cerca di abituare lo studente a ragionare non solo in maniera qualitativa sui fenomeni studiati, ma anche quantitativamente, valutando le grandezze fisiche e chimiche coinvolte. Questo viene fatto oltre che tramite le lezioni frontali teoriche anche attraverso lo svolgimento in aula di dimostrazioni sperimentali, di esercizi numerici e di discussioni di approfondimento. |
| Altre informazioni | Lezioni frontali: cinque ore settimanali orientative con dimostrazioni anche sperimentali in aula ed esercitazioni numeriche: una o due ore settimanali a seconda delle necessità. L'orario delle lezioni frontali, e l'aula dove esse si svolgeranno, sarà reperibile collegandosi all’ indirizzo Web del CdS. Date di inizio e termine delle attività didattiche: Primo semestre. Le date di inizio e termine delle attività didattiche sono reperibili collegandosi all’ indirizzo Web del CdS. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame prevede una prova scritta e una prova orale. Le prove scritte, per esigenze logistiche saranno sostenute in modo anticipato rispetto alle rispettive prove orali che potranno essere sostenute in sessioni diverse o contestualmente nella stessa sessione secondo il calendario stabilito dal CdS. La prova scritta sarà costituite da problemi a risposta chiusa, e/o 1-2 problemi a risposta aperta. Avrà la durata di 1 ora e 30 minuti circa e sarà finalizzate a verificare: i) la capacità di comprensione delle problematiche proposte durante il corso, ii) la capacità di applicare correttamente le conoscenze teoriche, iii) l'abilità di formulare in autonomia di giudizio osservazioni appropriate sulle possibili alternative modellistiche, iv) l'abilità di comunicare in modo efficace e pertinente in forma scritta. La prova orale consiste in un colloquio della durata di circa 20-30 minuti, finalizzate ad accertare: i) il livello di conoscenza dei contenuti teorico-metodologici del corso; ii) il livello di competenza nell’esporre le possibili soluzioni ai problemi tecnologici proposti riguardanti: struttura dei nanomateriali; proprietà elettriche ed ottiche; processi di deposizione ed integrazione in dispositivi; iii) l’ autonomia di giudizio nel proporre l’approccio più opportuno per ciascun ambito teorico-applicativo, con piena consapevolezza delle ipotesi semplificative adottate nelle diverse applicazioni tecnologiche affrontate nel corso, del significato fisico delle grandezze coinvolte, del livello di indeterminazione dei risultati conseguiti. Le prove orali hanno anche l’obiettivo di verificare la capacità dello studente di esporre con proprietà di linguaggio i temi proposti dalla Commissione, di sostenere un rapporto dialettico durante discussione e di riassumere i risultati applicativi delle teorie studiate. La valutazione finale verrà effettuata dalla Commissione in trentesimi mediando i risultati delle due prove con i seguenti pesi: prova scritta, peso = 4/12; prova orale, peso =2/12. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | Classificazione e principi di funzionamento di nanomateriali per auto-diagnostica: ingegneria delle geometrie, nano compositi intrinsecamente deformabili: nano-compositi a base di elastomeri, classificazione. Modelli di conducibilità elettrica e fenomeni di trasporto di carica e calore: teoria della percolazione elettrica e principi di reologia; piezoresistività e correlazione con meccanica della frattura in nanocompositi polimerici elettricamente conduttivi. Effetti di allineamento di nano-fibre sulla conducibilità elettrica; legge di mistura dei compositi e modellazione. Teoria di Weibull. Principi di funzionamento di sensori resistivi e capacitivi. Nanomeccanica delle superfici: equazioni costitutive dell’instabilità superficiale. Forze di adesione e coesione: bagnabilità; superfici autopulenti. Metamateriali: principi di funzionamento. Interazioni di superfici con onde elettromagnetiche: trasparenza ottica, assorbimento e foto-cromicità delle superfici. Polimeri conduttori e loro applicazioni in dispositivi fotovoltaici. Processi di integrazione di nanomateriali in nano-dispositivi: solubilità e dispersione; termodinamica delle soluzioni: parametro di solubilità, entalpia ed entropia delle soluzioni; metodi chimici e meccanici di dispersione; tecniche di deposizione e caratterizzazione di film sottili. Materiali a memoria di forma. Classificazione e caratteristiche. Proprietà termiche. Materiali funzionali a base di proteine naturali, termoplasticità e bio-adesivi. Cenni di biomimesi di tessuti organici. |
NANOTECNOLOGIE E NANOMATERIALI
| Codice | A002501 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Loredana Latterini |
| Docenti |
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| Ore |
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| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Chimica e fisica della materia |
| Settore | CHIM/02 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | Introduzione alle Nanotecnologie. Proprietà chimico-fisiche delle superfici solide. Metodi di sintesi delle nanoparticelle. Caratteristiche generali e sintesi di nanotubi e nanorod. Metodi di sintesi di materiali bidimensionali (film sottili). Caratterizzazione strutturale dei nanomateriali tramite tecniche di spettroscopia e microscopia. |
| Testi di riferimento | Guozhong Cao & Ying Wang, Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications 2nd Edition, World Scientific, 2011. |
| Obiettivi formativi | L'obiettivo principale dell'insegnamento è trasmettere allo studente le seguenti conoscenze: - proprietà chimico-fisiche delle superfici solide da cui dipende la stabilità dei nanomateriali; - metodi di sintesi di nanomateriali di diversa dimensionalità; - principali metodi di indagine strutturale e di caratterizzazione chimico-fisica di sistemi nanostrutturati. L'insegnamento permetterà allo studente di acquisire le seguenti abilità: - individuare la migliore strategia di sintesi sulla base del nanomateriale che si vuole realizzare; - individuare le potenzialità applicative di sistemi nanostrutturati in base alle loro proprietà chimico-fisiche. |
| Prerequisiti | Al fine di comprendere tutti gli argomenti trattati nel corso è necessario possedere conoscenze di base di matematica, fisica e chimica. |
| Metodi didattici | Il corso prevede lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso per una durata di 60 ore complessive. |
| Altre informazioni | Il docente si rende disponibile per confrontarsi con gli studenti via mail o fissando un incontro su piattaforma Microsoft teams. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L’esame prevede una prova orale della durata di circa 40 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione dell’allievo con la dovuta proprietà di linguaggio. |
| Programma esteso | • Introduzione alle Nanotecnologie. Concetti base e classificazione dei nanomateriali e delle strategie di sintesi. • Proprietà chimico-fisiche delle superfici solide. Energia di superficie, curvatura delle superfici e densità di carica superficiale. Potenziale elettrico in prossimità della superficie. Stabilizzazione elettrostatica e stabilizzazione sterica. • Classificazione dei metodi di sintesi delle nanoparticelle: strategia top-down e bottom-up. Nucleazione omogenea: concetto di sovrasaturazione, considerazioni termodinamiche e cinetiche. Crescita dei nuclei: crescita controllata dalla diffusione o dai processi di superficie. Sintesi delle nanoparticelle: nanoparticelle metalliche; nanoparticelle di semiconduttori (quantum dots); nanoparticelle di ossido. Considerazioni generali ed esempi di sintesi. Reazioni in fase vapore e segregazione di fase allo stato solido. Nucleazione eterogenea e metodi basati sul controllo cinetico della crescita in ambienti confinati (e.g. sintesi in micelle e microemulsioni). • Caratteristiche generali e definizione di nanotubi e nanorod. Classificazione dei metodi di sintesi. Crescita spontanea: considerazioni termodinamiche. Crescita basata sul processo di evaporazione(dissoluzione)-condensazione e teorie di crescita delle superfici. Crescita spontanea: sintesi di nanotubi e nanorod basata sul processo VLS (vapore-liquido-solido) o SLS (solido-liquido-solido). cristallizzazione indotta da stress. Sintesi template-based: descrizione delle membrane usate come template e metodi di sintesi (deposizione elettrochimica e deposizione elettroforetica; template filling; electrospinning). Nanomateriali monodimensionali speciali: fullereni e nanotubi di carbonio. Caratteristiche generali e metodi di sintesi. • Classificazione dei metodi di sintesi di materiali bidimensionali (film sottili). Deposizione allo stato vapore e crescita in fase liquida. Considerazioni termodinamiche sulla nucelazione e crescita dei film sottili. Definizioni e concetti generali sulla scienza del vuoto. Metodi di sintesi: deposizione fisica allo stato vapore (Physical Vapor Deposition, PVD), evaporazione e sputtering; deposizione chimica allo stato vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD); deposizione di strato atomico (Atomic Layer Deposition, ALD). Crescita in fase liquida: auto-assemblaggio (self-assemy, SA) - concetti generali ed esempi di sintesi. Film di Langmuir-Blodgett (LB), deposizione elettrochimica e film basati sul processo sol-gel. • Caratterizzazione strutturale dei nanomateriali. Diffrazione a raggi X. Microscopia elettronica: microscopia elettronica a scansione (Scanning Electron Microscopy, SEM); microscopia elettronica a trasmissione (Transmission Electron Microscopy, TEM). Microscopie a scansione con sonda: microscopia a effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM), microscopia di forza atomica (Atomic Force Microscopy, AFM), e Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM). Spettroscopie ottiche: spettroscopia elettronica (assorbimento ed emissione), spettroscopia infrarossa, spettroscopia Raman. Spettrometrie ioniche: spettroscopia di retrodiffusione di Rutherford¿ e spettrometria di massa di ioni secondari. |