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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 2018/2019

Codice dell'attività didattica
MFN1259
Docenti
Dott. Silvia Casassa (Titolare del corso)
Prof. Domenica Scarano (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
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Chimica generale - Matematica
Basic Chemistry and Mathematics
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L’obiettivo dell'insegnamento è quello di fornire agli studenti, che già conoscono il linguaggio e i fondamenti della termodinamica e del legame chimico in semplici molecole, la comprensione qualitativa e quantitativa della struttura elettronica di molecole poliatomiche fino ai materiali solidi a dimensionalità crescente, utilizzando la teoria degli orbitali molecolari. In particolare gli orbitali molecolari verranno descritti in termini di combinazione lineare di orbitali atomici (LCAO), combinazioni lineari di simmetria, approssimazione di Huckel, teoria del campo dei leganti. Inoltre, l'insegnamento si propone di illustrare le correlazioni con le proprietà strutturali, spettroscopiche (vibrazionali, elettroniche) e magnetiche.

Gli studenti dovranno essere in grado di realizzare semplici simulazioni al calcolatore in aula informatica, comprenderne e spiegarne i risultati, noti i concetti di base delle spettroscopie fondamentali (IR, UV-vis).

Con tali competenze di base lo studente sarà in grado di contribuire positivamente al lavoro di un team interdisciplinare che si occupa della sintesi e caratterizzazione di materiali e, sotto la guida di figure professionali più esperte, potrà fornire elementi di conoscenza per realizzare processi, analisi o prodotti innovativi.

 

The aim in general is to provide the students, that already know the language and the rudiments of the thermodynamics and of the chemical bond in simple molecules, with some tools to understand, qualitatively and quantitatively, the electronic structure of polyatomic molecules until the solid materials with increasing dimensionality, by means of molecular orbitals theory. In particular the molecular orbitals will be described by using LCAO methods, Huckel approximations, ligand field theory. Some more the course will introduce the students to the relationships with the structural, spectroscopic (vibrational, electronic) and magnetic properties.

The students will be able to apply their knowledge of chemical bonding, spectroscopy, thermodynamics and crystallography to advanced applications involving advanced materials, by performing simple computer simutations.

On the  basis of such fundamental expertise, the student will be able to contribute within an interdisciplinar group, to the synthesis and characterization of the materials, and under the supervision of  experts he will be able to provide the team with suitable knowledge to perform processes, analyses or new products.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo/la studente/ssa dovrà essere in grado di  saper comprendere  le proprietà chimico fisiche dei materiali  sulla base dei metodi descritti

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo/la studente/ssa dovrà:

- saper gestire semplici simulazioni al calcolatore per la previsione di proprietà strutturali, elettroniche, vibrazionali, dielettriche e magnetiche di materiali cristallini perfetti e difettivi

- essere in grado di  interpretare i dati acquisiti attraverso il calcolo e saperli confrontare con eventuali dati sperimentali.

Knowledge and understanding ability

The student should be able to understand the physical chemical properties of the materials on the basis of the described methods

Abilility to apply knowledge and comprehension

The student should be able:

- to handl simple computer simulations to predict the structural, electronic, vibrational,  dielectric and magnetic properties of perfect and defective crystalline materials

- to interpret the data obtained by means of calculation methods and to compare them with the experimental results.

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento prevede lezioni frontali per un totale di 5 CFU (40 ore) e una parte laboratoriale  di 1 CFU (16 ore). Le lezioni non sono obbligatorie ma fortemente consigliate al fine di una migliore comprensione delle attività laboratoriali, che invece sono obbligatorie, con la partecipazione ad almeno il 70% delle ore previste dal laboratorio

The course is based on frontal lessons for a total of 5 CFU (40 hours) and an computer lab of 1CFU (16 hours). The lessons are not compulsory, but highly recommended to better understand the computer simulations, that on the contrary are compulsory. The participation to the 70% of the hours of the laboratory is mandatory.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Lo studente deve dimostrare di avere acquisito una comprensione globale della materia e di essere in grado di utilizzare gli strumenti teorici e pratici forniti, al fine di comprendere le esperienze condotte in laboratorio.

La verifica delle conoscenze acquisite avverrà mediante un colloquio che prevede la discussione di concetti forniti a lezione e di una relazione, basata sulla raccolta e commento di tutti gli esperimenti effettuati.

L’esame prevede: una valutazione in trentesimi.

The student has to show his whole comprehension of the subject and his ability to use all the supplied theoretical/experimental tools, to explain the obtained results.

The examination of the acquired knowledge will be made through the discussion of the themes of the lectures and of the report containing the collection and explanation of all the experiments, carried out in laboratory.

The valutation will be made in thirtieths.

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Programma

Riepilogo dei fondamenti  della Teoria degli Orbitali Molecolari con metodo LCAO

Metodo  LCAO per molecole poliatomiche: - ibridazione - sistemi delocalizzati e transizioni elettroniche - combinazioni lineari di simmetria - approssimazione di Huckel - teoria del campo dei leganti

Metodo  LCAO per teoria delle bande nei solidi: - solidi unidimensionali (massa efficace, conducibilità elettronica) - solidi bidimensionali (densità degli stati, zona di Brillouin)- solidi tridimensionali (isolanti, metalli e semiconduttori)

- semiconduttori omogenei intrinseci ed estrinseci, a gap diretto e indiretto: transizioni elettroniche  dirette e indirette, assorbimenti dovuti a livelli impurezza e a portatori liberi di carica.

Campo cristallino: - configurazioni d e termini - teoria dei gruppi - transizioni elettroniche

Accenno alle proprietà magnetiche dei solidi: diamagnetismo, paramagnetismo; materiali con ordine magnetico.

Effetto delle dimensioni finite e dei difetti. Richiami ai difetti reticolari puntuali termodinamici di equilibrio e trattazione dei difetti di stechiometria nei solidi. Esempi di composti non stechiometrici. Superfici ed interazioni con molecole

Proprietà quanto-meccaniche dei solidi cristallini: introduzione ai fondamenti e alle equazioni della chimica computazionale e loro sviluppo all'interno di software scientifico per il calcolo delle proprietà strutturali ed elettroniche di sistemi macroscopici.

Simulazione al calcolatore (aula informatica) 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. 

 

Summary of the basis of the Molecular Orbital Theory with LCAO method.

LCAO method for polyatomic miolecules: - ibridation -delocalized systems and electronic transitions - linear combinations  of symmery  - Huckel approximation - ligands field theory

LCAO method for solid band theory: unidimensional solids - (effective mass, electronic conductivity) - bidimensional solids (states density , Brillouin zones) - threedimensional solids (insulating, metals and semiconductors).

-Homegeneous intrinsic and extrinsic semiconductors, direct and indirect gap: direct and indirect electronic transitions; absorptions due to doping levels and to free charge carriers.

Crystalline field: d configurations and terms - Groups theory- electronic transitions

Principles of magnetic properties of materials:  diamagnetism, paramagnetism; materials showing magnetic order.

Effect of the finite dimensions and defects:  point and stoichiometric defects in solids and examples. Surfaces and interaction with molecules.

Quantum-mechanics periodic simulation of crystalline materials: an introduction to the approximated methods of computational chemistry and their exploitation in scientific program for the calculations of the electronic and structural properties of solids.

Computer simulations 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.

Testi consigliati e bibliografia

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P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 ; P.W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, 1983; Dispense fornite dai docenti e scaricabili dal sito come file pdf o power point

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 ; P.W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, 1983;   Lecture notes available from the website as pdf file or ppt slides.



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Orario lezioni

Lezioni: dal 01/10/2018 al 18/01/2019

Nota: Sede lezioni- Centro della Inovazione- Via Quarello 15/A

Per l'orario dettagliato delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Ultimo aggiornamento: 18/04/2019 13:10