CHIMICA FISICA DELLE NANOTECNOLOGIE

CHIM/02 - 7 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIOVANNI MARLETTA

Obiettivi formativi

Il corso intende fornire le basi chimico-fisiche delle Nanotecnologie, con particolare riferimento alle classi di materiali molecolari di interesse per tecnologie avanzate. Oggetto del Corso sono, quindi, le nozioni chimico-fisiche alla base del comportamento di sistemi complessi di aggregati molecolari, con particolare attenzione alla loro applicazione a livello nanoscopico, ed i principali strumenti e metodologie di rilievo per il loro studio. Obiettivi formativi, quindi, riguarderanno l'acquisizione della capacità di mettere in relazione i principali fenomeni a livello nanometrico con le leggi chimico-fisiche che li controllano e la capacità di comprendere e scegliere le opportune condizioni per l'uso delle metodologie, di volta in volta, più adatte per studiare sistemi nanometrici o per ottenerne la nanostrutturazione, in considerazione delle loro proprietà funzionali.

Prerequisiti richiesti

Conoscenza delle nozioni di base di Termodinamica, Meccanica Quantistica e Spettroscopia molecolare, come da corsi di laurea triennale di Chimica e Chimica Industriale. Nozioni di base di chimica delle Macromolecole. Nozioni di Matematica: nozioni di base sulle funzioni reali e complesse (campo di esistenza, derivabilità, integrabilità); capacità di sviluppare ed usare semplici derivate e risolvere semplici integrali; comprensione dell'uso di equazioni differenziali del 1° e del 2° ordine. Conoscenze di base di Fisica Generale, includenti nozioni di meccanica classica, di elettricità, magnetismo ed ottica.

Frequenza lezioni

Frequenza obbligatoria, in particolare per le lezioni di Laboratorio (1 CFU, 12 ore), che si svolgeranno in connessione alle relative lezioni teoriche. Sono ammesse assenze nei limiti definiti dal vigente Regolamento Didattico di Ateneo.

Contenuti del corso

1) Introduzione alle Nanotecnologie – Definizione del campo – Criteri di determinazione dei sistemi nanometrici e loro rilevanza (sistemi 1D, 2D, 3D) – (2 ore)

2) Basi chimico-fisiche delle Nanostrutture e delle relative tecniche di osservazione (20 ore)

Generalità (2 ore): Richiami di forze intermolecolari e loro caratteristiche generali – Relazione fra Energie di legame / Forze/Scale di tempo nella materia condensata – Cenni sui processi di ordine termodinamico e di ordine cinetico – Gerarchie di ordine spaziale –
Stimoli meccanici (4 ore): Grandezze meccaniche per la descrizione di sistemi viscoelastici - Risposta di fasi condensate all’applicazione di sforzi – Modulo di Young - Deformazioni dipendenti dalla velocità di applicazione dello sforzo – Concetto di tempo sperimentale e tempi di rilassamento - Deviazioni dai comportamenti ideali – Barriere energetiche di deformazione e “Argomento” di Eyring - Viscosità in liquidi semplici e complessi - Modelli molecolari di elasticità e di risposta meccanica - Scala dei tempi - Approssimazione di piccole deformazioni - Meccanismo molecolare di rilassamento degli sforzi –
Stimoli radiativi (2 ore): Interazione radiazione-materia – evoluzione di sistemi solidi e molecolari in condizioni di alte densità locali di energia – processi di etching – processi di grafting.
Meccanismi di nucleazione e crescita (3 ore): Caratteri generali delle transizioni liquido-solido – processi di nucleazione omogenea ed eterogenea – Meccanismo di nucleazione omogenea – Bilancio fra termini di superficie e di volume – Barriera energetica di attivazione e raggio critico di crescita di particelle cristalline - Meccanismo di nucleazione eterogenea – Sistema a tre componenti: termini di superficie e termine di volume – Barriera energetica di attivazione eterogenea – Fronti di propagazione lineari e dendritici.
Processi nanoscopici nei polimeri: stato cristallino e semicristallino (3 ore)– Lamelle come strutture gerarchiche – I fattori energetici nell’ordine cristallino - Meccanismo di selezione di lunghezza lamellare - Energetica di processo e velocità di crescita di un cristallo - Dipendenza dalla temperatura della velocità di crescita cristallina - Modi di deformazioni a velocità costante e deformazioni oscillatorie - Viscoelasticità lineare e principio di sovrapposizione di Boltzmann - Dipendenza della viscoelasticità dalla temperatura: Modulo di rilassamento ed equ. di Williams-Landel- Ferry (WLF) – Il concetto di “entanglement” - Entanglement e lunghezza di catena - Moto di catene in fase condensata e modello della “reptation” – Approssimazioni e comportamenti non lineari.
Proprietà elettriche di sistemi molecolari (6 ore) – Generalità - Peculiarità dei sistemi molecolari – struttura elettronica di fasi molecolari condensate – conducibilità macroscopica e conducibilità specifica – Conduttività e Struttura elettronica di solidi molecolari –Natura e mobilità dei portatori di carica - Massa efficace ,larghezza di banda e conducibilità - Meccanismi di generazione e tipi di portatori di carica – portatori intrinseci – Processi di “Doping” con elettron-donatori o elettron-accettori - Polaroni, bipolaroni e solitoni – Processi di “doping chimico” – Processi di “doping elettrochimico” – Processi di “doping” non-redox – Processi fotoindotti – Sistemi molecolari a trasferimento di carica – Complessi organici – complessi polimero/molecola - Complessi polimero/fullerene - Stati localizzati e meccanismi di "trapping" – Generalità sui meccanismi di “trapping” di carica - “Trapping” alle interfacce ordine/disordine – Distribuzione in energia di stati di “trapping” - Stati di “trapping” da distorsioni conformazionali – Dipoli e “polaroni” - Processi di iniezione di carica e stati localizzati - Stati di superficie – Fenomeni di contatto: Modello di Fabish-Duke – Fattori strutturali e “stati-trappola” – Miscele di polimeri a diversa funzione-lavoro.
3) Metodi di nanostrutturazione (6 ore + 6 Laboratorio): Metodi “top-down”: litografie e nanolitografie - Metodi “bottom-up”: Processi di auto-organizzazione e auto-assemblaggio su superfici - metodi di Langmuir-Blodgett - Metodologie di "soft nanolithography".
4) Microscopie a campo prossimo (6 ore + 6 Laboratorio): Introduzione alle Scanning Probe Microscopies (SPM) - Atomic Force Microscopy (AFM) - Scanning Tunneling Microscopy (STM) - Scanning Near-Field Optical Microscopy (SNOM).
5) Nanotecnologie e Scienze della vita (4 ore): "Cues" nanometriche per proteine, ECM, cellule - Sistemi nanometrici per processi "in-body".
6) Nanotecnologie e Nanoelettronica (4 ore): Cenni ai componenti nanoelettronici – Elementi di elettronica molecolare