NANOTECNOLOGIE PER L'ENERGIA E L'AMBIENTE

Il corso introduce i principi fondamentali delle nanoscienze e delle nanotecnologie, con particolare attenzione alle relazioni tra dimensioni, struttura, proprietà chimico-fisiche e funzionalità dei nanomateriali. Verranno illustrati i principali approcci alla sintesi e alla progettazione di materiali a dimensionalità ridotta, includendo metodi top-down e bottom-up, strategie di funzionalizzazione superficiale e controllo delle proprietà mediante ingegneria della composizione, morfologia e interfaccia.

Il corso fornisce inoltre una panoramica delle principali tecniche di caratterizzazione dei nanomateriali, con particolare riferimento alle metodologie spettroscopiche, microscopiche e di analisi superficiale. Particolare enfasi sarà posta sulle applicazioni delle nanotecnologie nei settori dell’energia e dell’ambiente, quali conversione e accumulo energetico, fotocatalisi, sensoristica, trattamento delle acque e tecnologie sostenibili.

-            Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente acquisirà conoscenze sui concetti fondamentali delle nanoscienze, sui fenomeni dipendenti dalla scala dimensionale e sui principali materiali nanostrutturati utilizzati in ambito tecnologico.

-            Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente sarà in grado di interpretare dati sperimentali relativi alla caratterizzazione di nanomateriali e di individuare le proprietà rilevanti per specifiche applicazioni tecnologiche.

-            Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di confrontare differenti strategie di sintesi e caratterizzazione, valutandone vantaggi e limiti in relazione all’applicazione finale del nanomateriale.

-            Abilità comunicative

Lo studente acquisirà il linguaggio tecnico-scientifico necessario per descrivere materiali nanostrutturati, metodologie di preparazione e applicazioni tecnologiche.

-            Capacità di apprendimento

Lo studente svilupperà gli strumenti concettuali per approfondire autonomamente tematiche emergenti nel settore delle nanotecnologie.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

• Lezioni frontali con supporto di materiale multimediale.
• Discussione di casi studio tratti dalla letteratura scientifica recente.
• Analisi di esempi applicativi industriali.
• Eventuali esercitazioni dedicate all’interpretazione di dati sperimentali di caratterizzazione.

Il corso presuppone il possesso delle conoscenze di base acquisite negli insegnamenti di Chimica Generale e Inorganica, Chimica Organica e Chimica Fisica. In particolare, lo studente dovrà conoscere i principi del legame chimico, della struttura elettronica della materia, della termodinamica e della cinetica chimica, nonché i fondamenti delle proprietà dei materiali e delle principali tecniche di caratterizzazione chimico-fisica.

Obbligatoria

Modulo 1 – Introduzione alle nanoscienze e nanotecnologie

• Definizione di nanoscienza e nanotecnologia.
• Effetti della riduzione dimensionale: rapporto superficie/volume, confinamento quantico, proprietà ottiche ed elettroniche.
• Differenze tra materiali bulk, microstrutturati e nanostrutturati.
• Classificazione dei nanomateriali.

Modulo 2 – Sintesi e fabbricazione di nanomateriali

Approcci top-down

• Litografia e tecniche di patterning.
• Processi di incisione e nanostrutturazione.
• Applicazioni nella micro- e nanoelettronica.

Approcci bottom-up

• Autoassemblaggio molecolare.
• Deposizione chimica e fisica da fase vapore.
• Crescita controllata di film sottili e nanostrutture.

Modificazione superficiale

• Funzionalizzazione chimica delle superfici.
• Interazioni superficie-molecola.
• Materiali ibridi organico-inorganici.

Modulo 3 – Proprietà chimico-fisiche dei nanomateriali

• Proprietà elettroniche.
• Proprietà ottiche.
• Proprietà catalitiche.
• Proprietà meccaniche e termiche.

Modulo 4 – Tecniche di caratterizzazione dei nanomateriali 

Microscopie

• Microscopia elettronica.
• Microscopia a scansione di sonda.

Tecniche spettroscopiche

• Spettroscopia XPS per analisi chimica superficiale.
• Spettroscopia Raman e IR.
• Spettroscopie UV-Vis e fotoluminescenza.

Analisi composizionali e morfologiche

• Tecniche di massa per l’analisi superficiale e composizionale.
• Analisi dimensionale e distribuzione delle particelle.

Modulo 5 – Nanotecnologie per l’energia

• Nanomateriali per la conversione energetica.
• Materiali per accumulo energetico.
• Nanomateriali per catalisi energetica.

Modulo 6 – Nanotecnologie per l’ambiente e prospettive future 

• Nanomateriali per il monitoraggio ambientale.
• Nanomateriali per la depurazione.
• Materiali porosi avanzati.
• Aspetti di sostenibilità.

Gli studenti sono incoraggiati ad effettuare ricerche bibliografiche autonome. Linee guida ed indicazioni sui testi, diversi per ciascuno degli argomenti trattati, verranno forniti di volta in volta dal docente. Inoltre, le slide presentate a lezione saranno rese disponibili e, su alcuni argomenti, verrà messo a disposizione del materiale addizionale in formato elettronico.

L’esame consiste in una prova orale finalizzata alla verifica della comprensione dei principi fondamentali delle nanotecnologie, delle metodologie di sintesi e caratterizzazione dei nanomateriali e delle loro applicazioni nei settori energetico e ambientale.

La valutazione terrà conto della capacità dello studente di:

• descrivere proprietà e caratteristiche dei nanomateriali;
• collegare struttura, proprietà e applicazioni;
• discutere criticamente tecniche di preparazione e caratterizzazione.

Quali sono le principali differenze tra approccio top-down e bottom-up nella sintesi dei nanomateriali?

Quali informazioni forniscono AFM e XPS e quando utilizzeresti ciascuna tecnica?

Descrivi un'applicazione dei nanomateriali nel settore energetico o ambientale, spiegando quali proprietà ne determinano l'efficacia