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Chimica Fisica dei Materiali con laboratorio

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Physical Chemistry of Materials with Laboratory

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Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN1259
Docenti
Prof. Flora Boccuzzi (Titolare del corso)
Dott. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Dott. Roberto Orlando (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Anno
3° anno
Periodo didattico
Primo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Chimica generale - Matematica
Basic Chemistry and Mathematics
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L’obiettivo è quello di mettere in grado studenti, che già conoscono il linguaggio e i fondamenti del legame chimico, delle spettroscopie, della termodinamica e della strutturistica, di comprendere, interpretare e prevedere le applicazioni tecnologiche avanzate di diversi materiali solidi.

 Inoltre, il corso si propone di fornire una conoscenza dell’applicazione delle spettroscopie fondamentali (IR, UV-vis) a sistemi semplici in fasi condensate omogenea (solida, liquida) ed eterogenea.

Lo studente dovrà essere in grado di realizzare semplici esperimenti al calcolatore in aula informatica, comprendere e saper spiegare i risultati ottenuti, avendo già acquisito nei corsi precedenti i concetti di base delle spettroscopie fondamentali (IR, UV-vis).

Enable the students to apply their knowledge of chemical bonding, Spectroscopy, Thermodynamics and Crystallography to advanced applications involving advanced materials.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

Gestione di semplici esperimenti al calcolatore per la predizione di proprietà strutturali, elettroniche, vibrazionali e dielettriche di materiali cristallini perfetti e difettivi: interpretazione dei dati acquisiti.

Handling simple computer experiments to predict structural, electronoc,vibrational and dielectric properties of perfect crystalline materials andwith defects: Interpretation of data.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

olloquio orale

Oral exam

 

L'esame si svolge, di norma, con un colloquio orale sugli argomenti affrontati nelle lezioni, eventualmente a partire dalla presentazione e discussione approfondita di uno degli argomenti oggetto del corso, a scelta dello studente. Per quanto concerne la parte più tipicamente di laboratorio, lo studente deve preparare una breve relazione, basata sulla raccolta e commento delle esperienze effettuate in laboratorio, a cui segue una Discussione orale, che dimostri il livello di comprensione raggiunto, avendo acquisito i concetti base delle tecniche utilizzate.

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Programma

Relazione tra proprietà macroscopiche dei materiali e la loro struttura microscopica: effetto delle dimensioni finite e dei difetti. Richiami ai difetti reticolari puntuali termodinamici di equilibrio e trattazione dei difetti di stechiometria nei solidi. Esempi ed applicazioni di composti non stechiometrici.

 Struttura, composizione e proprietà dei catalizzatori impiegati nelle marmitte catalitiche, degli elettrocatalizzatori delle celle a combustibile e dei catalizzatori utilizzabili per la produzione o purificazione dell’idrogeno. Ruolo delle dimensioni delle particelle delle fasi attive.

 Richiami di teoria delle bande, analisi della struttura e della forma delle bande di energia di alcuni metalli alcalini e di transizione e di semiconduttori e isolanti.  Semiconduttori omogenei intrinseci ed estrinseci, a gap diretto e indiretto.  Proprietà dielettriche ed ottiche dei materiali. Tipi di transizioni elettroniche in materiali con struttura a bande: spettri ottici di metalli, assorbimenti dovuti a transizioni dirette e indirette in semiconduttori, assorbimenti dovuti a livelli impurezza e a portatori liberi di carica. Esempi di spettri UV e infrarossi di semiconduttori.

 Proprietà magnetiche dei materiali: approccio classico e fenomenologico, diamagnetismo, paramagnetismo; materiali con ordine magnetico. Cenni ad approccio quantomeccanico.

 Superconduzione: proprietà fenomenologiche, teoria BCS per superconduttori a bassa temperatura critica. Ossidi cuprati difettivi come superconduttori ad alta Tc : fallimento teoria BCS e possibili interpretazioni del fenomeno.

 Conversione fototermica,  fotochimica e fotovoltaica dell’energia solare.

 Esercitazione al calcolatore (aula informatica) sul calcolo delle proprietà elettroniche (struttura a bande, DOSs, ,…) e vibrazionali (simulazione spettro IR) di materiali cristallini puri e difettivi. Ad esempio: ossidi e centri di colore, semiconduttori puri o drogati. Per i calcoli verrà usato il programma di calcolo ab initio periodico CRYSTAL.

 

 Relationships between the macroscopic properties of the materials and their microscopic structure: the effects of the finite size and of chemical and structural defects. Overview on punctual thermodynamic defects and introduction to stoichiometry defects in solids. Examples and applications of nonstoichiometric compounds.

 Structure, composition and properties of the working catalysts for catalytic converters, for H2 production and purification and of electrocalysts for fuel cells. Role of particle size on the catalytic activity.

 Recall to the band theory, analysis of the structure and shape of the energy bands for some alcaline and transition metals and for insulators and semiconductors. Intrinsic and extrinsic homogeneous semiconductors, with direct and indirect gap. Dielectric and optical properties of solid materials. Electronic transitions in materials with band structure: optical spectra of metals, absorptions caused by direct and indirect transitions in semiconducting materials, or due to impurity levels and free carriers. Examples of UV and IR spectra of semiconductors.

 Magnetic properties of materials: classic and phenomenological approach, diamagnetism, paramagnetism; materials showing magnetic order. A brief introduction to the quantum mechanical approach.

 Superconductivity: phenomenological properties, BCS theory for low Tc superconductors.

Defective cuprate oxides as high Tc ceramic superconductors: BCS theory failure, quest for other models .

 Photothermical, photochemical and photovoltaic conversions of solar energy.

 Practical work on the calculation of the electronic (e.g. band structure, DOSs, …) and vibrational properties (e.g. simulated IR spectrum) of pure and doped crystalline materials. For instance: oxides and coloured centers; semiconductors pure and with defects. Calculations will be carried out by means of the ab initio periodic CRYSTAL code.

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Testi consigliati e bibliografia

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 e il materiale usato a lezione scaricabile dal sito come file pdf o power point.

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 and lecture notes as
pdf file or ppt slides

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Note

Tipologia Insegnamento 

40 ore di lezione frontale e 16 ore di laboratorio (aula informatica)

 Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma  consigliata. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Lectures: 40 hours

Laboratory, 16 hours

 Optional for the class lessons, but recommended; mandatory for the lab.

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Ultimo aggiornamento: 18/05/2015 10:54
Location: https://stmateriali.campusnet.unito.it/robots.html
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