Obiettivi formativi
Obiettivo del corso è fornire allo studente conoscenze approfondite relative alla natura dello stato solido ed alle sue proprietà di simmetria, ai principi generali e pratici della diffrazione come conseguenza della periodicità degli atomi nei cristalli, polimorfismo, transizioni di fase e reattività dei materiali ceramici.
Nello specifico lo studente dovrà :
- Conoscere le tecniche di sintesi di composti inorganici e di preparazione di materiali, la reattività dei solidi e la sinterizzazione di ceramici. Conoscere i principali tipi di impacchettamenti cristallini ed i fattori che li governano, i metodi di caratterizzazione strutturale nonché comprendere l’influenza della la simmetria cristallina sulle proprietà dei materiali. Comprendere i principi fondamentali della diffrazione X e le relative applicazioni. Conoscere le soluzioni solide e la loro importanza nel campo dei materiali.
- Individuare, nell’ambito degli argomenti trattati dal corso, l’approccio adeguato all’ottenimento di un determinato obiettivo tramite l’utilizzo di appropriate tecniche di sintesi o di analisi, dimostrando quindi di saper applicare efficacemente le conoscenze acquisite.
-Essere in grado di utilizzare il linguaggio specifico e la terminologia proprie della disciplina al fine di comunicare coerentemente quanto appreso.
Prerequisiti
nessuno
Contenuti dell'insegnamento
Il corso affronta i temi fondamentali della chimica dello stato solido, ponendo particolare attenzione a struttura, proprietà e reattività della materia in forma cristallina. Ampio spazio viene dedicato all’origine della periodicità tridimensionale delle strutture cristalline, alla definizione del concetto di simmetria ed alla sua descrizione tramite i gruppi spaziali. Viene affrontata la classificazione delle strutture cristalline ed illustrati i fattori che le governano, così come le caratteristiche dei più comuni difetti cristallografici. Si presentano gli aspetti fondamentali delle transizioni di fase allo stato solido e dei processi di nucleazione e crescita, nonché delle tecniche comunemente utilizzate per la crescita di cristalli. Viene affrontato il concetto di reattività nei solidi ed il processo di sinterizzazione e processing dei ceramici. Gli studenti vengono infine introdotti agli aspetti teorici e pratici della diffrazione di raggi X ed alle sue applicazioni.
Programma esteso
Lo stato cristallino. Origine della periodicità tridimensionale. Reticolo di Bravais e reticolo cristallino. Classificazione dei reticoli sulla base della simmetria. Simmetria puntuale. Gruppi puntuali dei reticoli di Bravais: i sistemi cristallografici. Gruppi puntuali dei reticoli cristallini: le 32 classi cristallografiche. Operazioni di simmetria con traslazione. Gruppi spaziali dei reticoli di Bravais e dei reticoli cristallini.
Classificazione delle strutture cristalline. Impacchettamento compatto e modello eutattico. Principali tipi di strutture cristalline di composti binari e ternari.
Difetti nei cristalli: difetti puntuali (vacanze, interstiziali, sostituzionali); difetti lineari (dislocazioni); difetti estesi (stacking faults, bordi di grano); crystallographic shearing. Proprietà delle superfici.
Il concetto di soluzione solida. Soluzioni solide interstiziali e sostituzionali. Sostituzioni eterovalenti e meccanismi di compensazione di carica.
Polimorfismo e transizioni di fase. Classificazione cinetica delle transizioni. Classificazione termodinamica. Transizioni continue e discontinue. Trends cristallografici nelle transizioni di fase in funzione di T e P.
Processo di cristallizzazione. Nucleazione: trattazione termodinamica; supersaturazione come driving force del processo; nucleazione eterogenea. Crescita: processo in condizioni termodinamiche e cinetiche; meccanismo a spirale, tramite nucleazione bidimensionale e meccanismo adesivo.
Tecniche di crescita di cristalli 1, 2 e 3D: tecniche da solido, fuso, soluzione e fase vapore.
Reattività dei solidi. Reazioni di stato solido: principi e meccanismi; aspetti sperimentali. Sinterizzazione.
Materiali ceramici e loro applicazioni: ruolo della microstruttura e relazione con le proprietà funzionali e meccaniche. Processing dei ceramici.
Raggi X. Processo di scattering: Thomson e Compton. Fattore di scattering atomico. Scattering e diffrazione. Legge di Bragg ed equazioni di Laue. Reticolo reciproco. Costruzione di Ewald. Fattore di struttura. Equazione della densità elettronica. Simmetria della figura di diffrazione. Il problema della fase in cristallografia e la sua possibile soluzione.
Aspetti pratici della diffrazione X. Diffrazione di cristallo singolo. Diffrazione di polveri. Banche dati cristallografiche.
Bibliografia
Le slide proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma Elly. In aggiunta, lo studente può approfondire personalmente alcuni argomenti affrontati durante il corso facendo riferimento ai testi:
- A.R. West Solid state chemistry and its application, John Wiley and Sons Ltd., Chichester
- C. Giacovazzo et al. Fundamentlas of Crystallography, Oxford Science Publications
- E. Moore and L. Smart Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press
-C.B. Carter, M.G. Norton Ceramic Materials, Springer
Metodi didattici
Il corso ha un peso di 6 CFU, che corrispondono a 48 ore complessive di lezioni frontali, che consisteranno principalmente nella proiezione di slides, ma verrà fatto uso di programmi freeware e contenuti web sia di carattere didattico che scientifico. Tutto il materiale citato verrà caricato sulla piattaforma Elly, in accordo con la sequenza degli argomenti trattati.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite un esame in forma orale, nel quale lo studente dovrà dimostrare di aver compreso, e di essere in grado di applicare, i concetti fondamentali degli argomenti trattati.
Altre informazioni
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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