L’obiettivo del corso è quello di sviluppare nello studente l’attitudine alla progettazione, sintesi e studio dei materiali inorganici. A tale scopo sono fornite le nozioni di base per la comprensione della struttura dei materiali, e delle relazioni tra strutture, proprietà ed applicazioni. Inoltre è fornita un’ampia panoramica delle metodologie di sintesi tradizionali di materiali inorganici policristallini e cristalli singoli.
Il corso è articolato in lezioni frontali (6CFU) e laboratorio (2CFU) in modo da applicare le conoscenze acquisite nelle lezioni frontali in specifici casi di laboratorio.
Conoscenza dei contenuti di base della Chimica Inorganica
Obbligatoria con le deroghe stabilite dal regolamento didattico del CdS in Chimica Industriale
TEORIA (6 CFU)
Descrizione delle strutture cristalline
Generalità sui cristalli. Reticoli cristallini e set di base. Vettore di traslazione. Cella unitaria e parametri reticolari. I 5 reticoli bidimensionali. Reticoli tridimensionali: i 7 sistemi cristallini ed i reticoli di Bravais.
Simmetria. Elementi di simmetria di punto e gruppi puntuali. Notazione di Schönflies e notazione cristallografica di Hermann-Mauguin. I gruppi puntuali di interesse cristallografico. Elementi di simmetria traslazionale e gruppi spaziali. I gruppi spaziali Bravaisiani e non. Unità asimmetrica, motivo di ripetizione e struttura cristallografica.
Direzioni e piani reticolari. Indici di Miller. Reticolo reciproco.
Principali strutture . Reticoli cristallini e impaccamenti di sfere. Impaccamenti compatti e non compatti. Poliedri di coordinazione e sistemi interstiziali in impaccamenti di sfere. Fattori che influenzano la struttura.
Solidi metallici. Strutture esagonale e cubica compatte. Struttura cubica a corpo centrato. Principali strutture di metalli e leghe.
Solidi ceramici. Strutture tipiche: Cloruro di sodio, cloruro di cesio, ioduro di cadmio, fluorite, AsNi, sulfuri di Zinco, rutilo e perovskiti, Spinelli. Determinazione del gruppi spaziali delle strutture principali. Strutture cristalline di grafite e diamante.
Metodi di sintesi di materiali:
Sintesi Solido - solido. Metodo ceramico. Generalità. Fattori che influenzano la velocità di reazione. Nucleazione e crescita. Modello di Wagner . Metodi di mescolamento. Coprecipitazione. Metodo del precursore. Riduzione carbotermica e Sintesi combustive.
Sintesi Liquido-solido. Reazioni di precipitazione. Precipitazione da soluzione acquosa. Sintesi di nano strutture. Metodi sol-gel. Formazione di ossidi amorfi. Preparazione di zeoliti. Precipitazione da fusi. Metodo dei flussi. Metodi idrotermali e solvotermali. Crescita di cristalli singoli. Crescita da soluzione. Metodo da gel. Crescita da fusi: Metodo Czochralski, Bridgman-Stockbarger. Fusione a Zone. Fusione a fiamma (Verneuil). Reazioni gas-solido. Trasporto da fase vapore. Purificazione di metalli.
Modifica di strutture esistenti. Intercalazione. Reazioni di intercalazione della grafite e del TiS2. Funzionalizzazione post-sintesi.
Deposizioni fisiche di film. Evaporazione e sputtering
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Proprietà e applicazioni
Materiali magnetici: Generalità sulle proprietà magnetiche. Diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo ed antiferromagnetismo. Effetto della temperatura: legge di Curie-Weiss. Meccanismi per l’ordine ferro e antiferro magnetico. Materiali magnetici. Metalli e ossidi di metalli di transizione. Ferriti e manganiti. Magneti molecolari e nanomagneti.
Materiali per applicazioni ottiche. Generalità sulle proprietà ottiche. Materiali luminescenti e fosfori. Laser a rubino, Nd:YAG. e GaAs. LED.
Metalli e leghe: Leghe. Leghe dell’acciaio. Elasticità e superelasticità Leghe superelastiche ed a memoria di forma.
Materiali a struttura aperta. Materiali porosi: Zeoliti e Metal-Organic Framework (MOF). Materiali a strati: composti di intercalazione, elettroliti solidi e materiali per batterie a ioni litio
LABORATORIO (2 CFU)
1) Sintesi di materiali ceramici mediante coprecipitazione e reazione allo stato solido. Sintesi di CaMnO3 isolante paramagnetico, La0.85Sr0.15MnO3 conduttore paramagnetico e La0.7Sr0.3MnO3 conduttore ferromagnetico. Caratterizzazione XRD dei materiali preparati.
2) Sintesi da soluzione di particelle magnetiche. Sintesi di nanoparticelle magnetiche di Fe3O4 e separazione magnetica dall’ambiente di reazione. Caratterizzazione XRD.
3) Sintesi da soluzione di Metal-Organic Framework (MOF) per applicazioni ambientali. Sintesi dello ZIF-8 . Caratterizzazione FTIR. Test di assorbimento di contaminanti organici
4) Sintesi di MOF luminescenti a base di Eu.
5) Caratterizzazione FTIR di Si monocristallino. Determinazione quantitativa dell’ossigeno interstiziale nel Si(100) CZ.
6) Preparazione di film mediante Sputtering. Sputtering mediante plasma DC di strati di Au.
Slides su: http://studium.unict.it/
Argomenti | Riferimenti testi | |
1 | Reticoli cristallini in 2 e 3 dimensioni | Slides delle lezioni; testo 3, capitoli 2 e 3; testo 4 capitolo1 |
2 | Simmetria | Slides delle lezioni, testo3 capitolo 4; testo 4, capitolo 2 |
3 | Direzioni e piani reticolari | Slides delle lezioni testo 3, capitolo 5 |
4 | Impaccamenti di sfere e reticoli cristallini | slides delle lezioni; testo 3, capitolo 1; testo 4, capitolo 7 |
5 | Principali strutture cristalline | slides delle lezioni; testo 2 capitolo 1;testo 3 capitolo 1; testo 4, capitolo 7 |
6 | Reazioni allo stato solido | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 |
7 | Sintesi da liquido | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 |
8 | Crescita di cristalli singoli | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 |
9 | Trasporto da fase vapore | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 |
10 | Metodi PVD: evaporazione | slides delle lezioni |
11 | Metodi PVD: sputtering | slides delle lezioni |
12 | Proprietà magnetiche dei materiali | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 9 |
13 | Materiali magnetici e loro applicazioni | slides delle lezioni: testo 2, capitolo 9 |
14 | Nanomagneti e magneti molecolari | slides delle lezioni |
15 | Composti intercalari e sistemi a strutture aperte | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 |
16 | Materiali per applicazioni ottiche | slides delle lezioni; testo 2, capitolo 10 |
17 | Leghe metalliche. Regole di solubilità e acciai | slides delle lezioni |
18 | Leghe superelastiche e a memoria di forma | slides delle lezioni |
19 | Esperienze di laboratorio | slides delle lezioni |
Colloquio orale
Cosa è un reticolo cristallino
Quali sono le simmetrie rotazionali permesse per un reticolo cristallino
Come si rappresentano le direzioni ed i piani reticolari
I sette sistemi cristallini ed i reticoli di bravais
Descrivere i metodi di sintesi allo stato solido
Descrivere i fattori che influenzana la nucleazione e la crescita del prodotto nelle sintesi allo stato solido.
Descrivere i metodi di sintesi da soluzione
Descrivere le sintesi da fuso
Discutere i meccanismi che determinano l'ordine ferromagnetico e antiferromagnetico
Discutere le proprietà magnetiche delle ferriti.
Discutere le proprietà magnetiche delle manganiti.
Descrivere il laser a Rubino.
Discutere le regole di solubilità nelle leghe.