CHIMICA FISICA DELLE SUPERFICI ED INTERFACCE

Obiettivi formativi. Il corso si propone di fornire i fondamenti termodinamici e molecolari della chimica fisica delle superfici e delle interfacce e di sviluppare la capacità di interpretare i principali fenomeni interfacciali. Saranno affrontati tensione ed energia superficiale, adsorbimento, bagnabilità, adesione, spreading e capillarità, nonché il ruolo delle interazioni intermolecolari nelle proprietà superficiali e nella stabilità dei sistemi colloidali. Il corso introduce inoltre la descrizione delle interfacce solido-liquido e delle superfici cariche, mettendo in relazione composizione, struttura e funzionalizzazione superficiale con le proprietà dei materiali. Saranno inoltre introdotti i principi delle biointerfacce e delle interazioni tra materiali e sistemi biologici, sviluppando la capacità di utilizzare semplici modelli chimico-fisici per interpretare i fenomeni interfacciali e comprenderne il ruolo in materiali funzionali e applicazioni ambientali, energetiche, tecnologiche e biomediche.

Risultati di apprendimento attesi.  Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze e le competenze previste dai Descrittori di Dublino.

D1 – Conoscenza e capacità di comprensione. Conoscere i principali concetti, modelli e principi della chimica fisica delle superfici e delle interfacce, con particolare riferimento a termodinamica interfacciale, adsorbimento, bagnabilità, capillarità, interazioni intermolecolari, interfacce cariche, sistemi colloidali e principi delle biointerfacce.

D2 – Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Applicare i principali modelli e relazioni della chimica fisica delle superfici per interpretare quantitativamente e qualitativamente fenomeni di adsorbimento, bagnabilità, capillarità, interazioni tra superfici e stabilità colloidale, mettendo in relazione struttura e composizione superficiale con le proprietà interfacciali.

D3 – Autonomia di giudizio. Valutare l'appropriatezza e i limiti dei principali modelli chimico-fisici, individuare i fattori rilevanti per l'interpretazione dei fenomeni interfacciali, valutare qualitativamente l'influenza della composizione, struttura e funzionalizzazione delle superfici, mettere in relazione le proprietà delle superfici con possibili applicazioni in ambito ambientale, energetico, tecnologico e biomedico.

D4 – Abilità comunicative. Descrivere e discutere fenomeni, modelli ed equazioni della chimica fisica delle superfici utilizzando un linguaggio scientifico appropriato, chiaro e coerente. Descrivere fenomeni relativi a superfici funzionalizzate e sistemi colloidali; utilizzare correttamente la terminologia specialistica anche in contesti interdisciplinari.

D5 – Capacità di apprendimento. Integrare conoscenze termodinamiche e molecolari nell'interpretazione di sistemi interfacciali e utilizzare testi specialistici, materiale didattico e letteratura scientifica per approfondire autonomamente gli argomenti e acquisire le basi per successivi studi in chimica fisica, scienza dei materiali, nanoscienze e biointerfacce.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA. Gli studenti con disabilità e/o DSA possono rivolgersi ai servizi di Ateneo competenti per concordare le modalità di frequenza e di svolgimento delle attività didattiche e delle prove di verifica, nel rispetto della normativa vigente e delle disposizioni dell'Università degli Studi di Catania.

L'insegnamento si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali, integrate da esercitazioni numeriche in aula, con discussione di problemi ed esempi applicativi. Le attività didattiche sono finalizzate a collegare la descrizione teorica e il formalismo matematico con l'interpretazione chimico-fisica dei fenomeni interfacciali.

Saranno inoltre proposti esempi tratti dalla letteratura scientifica e da applicazioni contemporanee relative a superfici funzionalizzate, materiali nanostrutturati, sistemi colloidali e biointerfacce, al fine di favorire la capacità dello studente di trasferire i concetti fondamentali a sistemi reali.

Sono richieste conoscenze di base di calcolo differenziale e integrale, termodinamica chimica e funzioni termodinamiche, proprietà dei sistemi condensati e interazioni intermolecolari. Sono inoltre utili le conoscenze acquisite nei corsi di Chimica Generale e Inorganica e di Chimica Fisica.

La frequenza delle lezioni è disciplinata dal Regolamento didattico del Corso di Studio.

Contenuti del corso

1. Fondamenti di chimica fisica delle superfici e delle interfacce. Definizione di superficie e interfaccia; interfacce tra fasi condensate e sistemi fluido–fluido e fluido–solido. Origine molecolare delle proprietà superficiali e interfacciali. Superficie di Gibbs e regione interfacciale. Energia libera superficiale e interfacciale. Tensione superficiale e interfacciale: significato termodinamico e operativo. Fattori che influenzano le proprietà superficiali: natura, composizione e temperatura. Relazione tra struttura e composizione della superficie e proprietà interfacciali.

2. Superfici curve e fenomeni capillari. Curvatura delle superfici e pressione di Laplace. Equazione di Young–Laplace e applicazioni a superfici semplici e composte. Fenomeni capillari: risalita e depressione capillare. Equazione di Kelvin e condensazione capillare. Effetto della curvatura sull'equilibrio di fase. Esempi di fenomeni e processi governati dalla capillarità.

3. Adsorbimento e organizzazione interfacciale. Principi dell'adsorbimento fisico e chimico. Isoterme di adsorbimento: modello di Langmuir e cenni ai modelli multilayer. Adsorbimento alle interfacce e relazione tra adsorbimento e proprietà superficiali. Equazione di adsorbimento di Gibbs. Tensioattivi e loro comportamento alle interfacce. Monostrati superficiali e pressione superficiale. Principi di organizzazione molecolare e funzionalizzazione delle superfici. Cenni ai film di Langmuir–Blodgett e alle principali metodologie di caratterizzazione delle proprietà interfacciali.

4. Bagnabilità, adesione e spreading. Interfacce solido–liquido–vapore e angolo di contatto. Equazione di Young e bagnabilità delle superfici. Lavoro di adesione e coesione. Spreading e coefficiente di spreading. Condizioni termodinamiche per adesione, immersione e spreading. Superfici idrofile e idrofobiche. Effetto della rugosità e dell'eterogeneità superficiale. Modelli di Wenzel e Cassie–Baxter. Principi delle superfici superwetting. Relazione tra chimica e struttura della superficie e bagnabilità.

5. Forze intermolecolari e interazioni tra superfici. Energia e potenziale di interazione; potenziale di forza media. Distribuzione di Boltzmann e ruolo dell'agitazione termica. Interazioni elettrostatiche e dipolari. Interazioni ione–dipolo, dipolo–dipolo e dipolo–dipolo indotto. Polarizzabilità molecolare. Interazioni di Keesom, Debye e London e forze di van der Waals. Interazioni a corto raggio. Cenni alle interazioni idrofobiche. Ruolo delle interazioni intermolecolari nelle proprietà delle superfici, delle interfacce e dei sistemi dispersi.

6. Interfacce solido–liquido e superfici cariche. Origine e caratteristiche della carica superficiale. Doppio strato elettrico alle interfacce solido–liquido. Modelli di Helmholtz, Gouy–Chapman e Stern. Descrizione qualitativa dell'equazione di Poisson–Boltzmann. Lunghezza di Debye e schermatura elettrostatica. Potenziale superficiale e potenziale elettrocinetico. Effetto del pH e della forza ionica sulle proprietà delle superfici cariche. Interazioni elettrostatiche tra superfici.

7. Sistemi colloidali e stabilità delle dispersioni. Definizione e classificazione dei sistemi colloidali. Origine delle interazioni particella–particella. Principi della teoria DLVO. Contributi elettrostatici e di van der Waals alla stabilità colloidale. Stabilizzazione elettrostatica e sterica. Aggregazione e flocculazione. Effetto della composizione e della funzionalizzazione superficiale sulla stabilità delle dispersioni. Esempi di sistemi colloidali e dispersioni di interesse chimico e tecnologico.

8. Introduzione alle biointerfacce. Caratteristiche chimico-fisiche delle interfacce tra materiali e sistemi biologici. Interazioni non covalenti tra superfici e biomolecole. Principi generali dell'adsorbimento di biomolecole e proteine alle superfici. Ruolo dell'acqua nelle interazioni superficie–biomolecola. Effetto qualitativo di chimica superficiale, carica, bagnabilità e rugosità sulle interazioni con sistemi biologici. Principi generali di funzionalizzazione superficiale e biocompatibilità. Esempi introduttivi di superfici e materiali a contatto con sistemi biologici.

Testo principale

• H.-J. Butt, K. Graf, M. Kappl, Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2003.

Testi di approfondimento e consultazione

• J. N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, 3rd ed., Academic Press, London, 2011.
• G. M. Kontogeorgis, S. Kiil, Introduction to Applied Colloid and Surface Chemistry, John Wiley & Sons, Ltd., 2016.
• A.W. Adamson, A.P. Gast, Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley & Sons, Ltd., 1997.
  

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Il docente fornirà inoltre materiale didattico integrativo e, per specifici argomenti, articoli scientifici e review selezionati. Per la parte introduttiva dedicata alle biointerfacce potranno essere indicati specifici capitoli o contributi bibliografici messi a disposizione dal docente.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova orale individuale sugli argomenti trattati durante il corso. La valutazione considera la correttezza e completezza dei contenuti, la comprensione dei principali modelli e procedimenti teorici, la corretta interpretazione delle equazioni e l'uso del linguaggio scientifico. Sono inoltre valutate la capacità di collegare i diversi concetti e di mettere in relazione gli aspetti teorici con fenomeni ed evidenze sperimentali.

Esempi di domande e/o esercizi

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• Forze intermolecolari e potenziali di interazione.
• Energia libera e tensione superficiale.
• Equazioni di Young e Young–Laplace.
• Bagnabilità, angolo di contatto e spreading.
• Adsorbimento e isoterme di adsorbimento.
• Equazione di adsorbimento di Gibbs e monostrati superficiali.
• Interfacce cariche e doppio strato elettrico.
• Teoria DLVO e stabilità colloidale.
• Interazioni superficie–biomolecola e principi delle biointerfacce.
• Applicazione di modelli e relazioni chimico-fisiche alla risoluzione di semplici esercizi quantitativi.