CHIMICA FISICA SUPERIORE

Il corso si pone come obiettivo primario l'apprendimento e la comprensione dei principali processi di transizione di fasi condensate, delle loro proprietà e dei parametri quantitativi e semi-quantitativi impiegati per la loro descrizione e previsione.

Più nel dettaglio, gli obiettivi del corso sono:

- per quanto concerne la conoscenza e capacità di comprensione,  l'obiettivo è la comprensione delle leggi e delle grandezze chimico-fisiche che governano i processi di transizione di fasi condensate e delle loro proprietà.

- per quanto concerne la capacità di applicare conoscenza e comprensione, gli studenti e le studentesse dovranno essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a processi di manipolazione dei sistemi chimici complessi di rilevanza nel campo dei materiali funzionali avanzati, nel campo delle applicazioni per la salute, nel campo ambientale ed energetico. Sistemi applicati di vasto impatto sociale sono infatti i sistemi nanometrici e a piccoli clusters, i sistemi "stimuli responsive", i sistemi multifase “programmabili”, con proprietà funzionali modulabili nel tempo, i gel polimerici, etc… 

- per quanto concerne l'autonomia di giudizio, l'obiettivo è rendere studenti studentesse capaci valutare autonomamente la pertinenza e l'applicabilità dei diversi fenomeni e proprietà appressi nei diversi campi applicativi, imparando a valutare autonomamente e criticamente la rilevanza delle opzioni tecnologiche disponibili rispetto alla effettiva efficacia.

- per quanto concerne la capacità di comunicare, l'obiettivo è rendere lo studente in grado di comunicare con esattezza e rigore argomenti scientifici con particolare riferimento al campo fasi condensate

- per quanto concerne la capacità di proseguire lo studio in modo autonomo, l'obiettivo è rendere lo studente in grado di applicare i concetti appresi durante il corso alla comprensione di fenomeni e processi di interesse specifico

- Nozioni di base di calcolo differenziale e integrale: campo di esistenza di una funzione, derivate, integrali definiti e indefiniti, serie e sviluppi in serie, semplici equazioni differenziali del primo e secondo ordine

- Proprietà di funzionali termodinamici: energia libera di Helmholtz, di Gibbs, entropia, energia interna e principali relazioni termodinamiche

- Nozioni di base sui potenziali di interazione intermolecolari.

Tensione superficiale

Definizioni termodinamica e meccanica di tensione superficiale. Origine molecolare della tensione superficiale. Dipendenza della tensione superficiale da composizione e temperatura. Equazione di adsorbimento di Gibbs. Molecole tensioattive. Processi specifici guidati dalla tensione superficiale: Ostwald ripening e condensazione capillare.

Processi di trasporto

Interpretazione termodinamica della diffusione. Prima legge di Fick. Profilo di concentrazione e suo effetto sulla diffusione. Seconda legge di Fick.

Transizioni di fase in sistemi molecolari condensati

Concetti di base sulle transizioni di fase. Transizioni di miscibilità in sistemi liquidi: Energia libera di mescolamento, curvatura della funzione energia libera e separazioni di fase. Sistemi stabili e metastabili. Parametro di Flory. Interfacce tra fasi e tensione interfacciale. Meccanismi di separazione di fase: processi di decomposizione spinodale. Processi di nucleazione omogenea ed eterogenea. 

Transizioni di fase liquido-solido. Processi di sotto-raffreddamento e solidificazione. Transizioni di fase liquido-cristallo. Processi e meccanismi  di nucleazione omogenea ed eterogenea in transizioni liquido-solido. Cinetiche, barriere di energia e raggi critici di nucleazione.

Transizioni di primo e secondo ordine. Entropia e modi di rilassamento: transizioni vetrose. Regimi di rilassamento alla Arrhenius e non-Arrhenius. Tempi di rilassamento da modi vibrazionali e da modi di entropia configurazionale. Transizioni di fase cinetiche e modelli di rilassamento di sistemi vetrosi. Modelli del volume libero: Fox-Flory e William-Landel-Ferry. Modelli cooperativi: Gibbs-Di Marzio, Adam-Gibbs. Regioni di riorganizzazione cooperativa, Barriere energetiche "cooperative", Entropia configurazionale.  

Chimica fisica dei polimeri

Flessibilità della catena polimerica, vettore e distanza end-to-end. Modelli di catene ideali e reali. Elasticità entropica. Soluzioni polimeriche e volume escluso. Gel e network polimerici. Polimeri rispondenti a stimoli. Separazione di fase in miscele polimeriche. Separazione di fase in copolimeri a blocchi. Polimeri semi-cristallini. Fusione e transizione vetrosa..  Modelli semplici di risposta viscoelastica in sistemi polimerici:  "entanglement" e "reptation".

Sistemi "soft"

Forze intermolecolari, energia, dimensioni spaziali e tempi di risposta in fase condensata. Aspetti fenomenologici della risposta di sistemi complessi a stimoli. Relazioni stress-deformazione ed equazione costitutiva in funzione del tempo. Semplici modelli meccanici: modello di Voigt e di Maxwell. Relazione di Maxwell e applicazioni. Viscoelasticità e tempi di rilassamento: meccanismo di singola molecola e ipotesi di Eyring. Processi di trasporto di fluidi : Fluidi newtoniano e non newtoniani. Flusso e viscosità in liquidi complessi. Proprietà di viscoelasticità in fluidi complessi. Moti laminari e moti turbolenti. Viscosità e flusso. Fluidi viscosi pseudoplastici. Fluidi dilatanti. Equazioni empiriche di flussi di scorrimento. Fluidi viscoplastici e fluidi di Bingham.

Polymer Physics (M. Rubinstein – Oxford University Press)

Soft Condensed Matter (R.A. Jones - OUP Oxford)

The Colloidal Domain (D. Fennel Evans, H. Wennerstroem - Wiley)

Definizione e proprietà dei sistemi di "soft matter".

Proprietà viscoelastiche e tempi di rilassamento in "materiali soft".

Confronto fra transizioni vetrose e transizioni del 1° ordine.

Transizioni di miscibilità in sistemi molecolari ed Energia libera di transizione

Separazioni di fase: Processi di decomposizione spinodale e Processi di nucleazione omogenea

Meccanismi di nucleazione omogenea ed eterogenea in transizioni liquido-solido

Ruolo della temperature nella determinazione della stabilità di sistemi defasanti.