SPETTROSCOPIA MOLECOLARE

Il corso rientra tra le attività formative caratterizzanti del corso di Laurea Magistrale in Chimica e Tecnologie Sostenibili; tale corso di Laurea ha lo scopo di formare laureati magistrali che
possiedano un'approfondita formazione scientifica con conoscenze degli aspetti avanzati, sia sperimentali che teorici, dei principali settori della Chimica.
Obiettivi formativi dell’insegnamento sono quindi quelli di trattare in maniera completa e approfondita alcune tecniche spettroscopiche avanzate nelle diverse regioni dello spettro elettromagnetico, illustrandone in dettaglio i concetti teorici e specialistici relativi ad alcuni moderni aspetti applicativi in diversi ambiti chimici, biochimici e biologici.

CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Il corso fornisce nozioni approfondite sulle spettroscopie ottiche e magnetiche, e sul come misurare le proprietà strutturali dei materiali e delle loro superfici, mediante l'utilizzo di differenti tecniche spettroscopiche.
Si tratta quindi di conoscere e aver compreso in maniera approfondita il formalismo appropriato e gli aspetti teorici di alcune delle moderne tecniche di spettroscopie ottiche e magnetiche. in dettaglio, conoscenza e comprensione delle moderne spettroscopie ottiche (lineari e non lineari) e degli aspetti avanzati di quelle magnetiche (NMR, EPR); in quest’ultimo caso comprensione della trattazione quantomeccanica, delle sequenze di impulsi (secondo IUPAC), e degli operatori prodotto. Inoltre, conoscenza e comprensione di alcune delle loro moderne applicazioni (ad esempio, studio di processi chimici risolto nel tempo, analisi di inquinanti atmosferici in tempo reale, studi su superfici e interfasi, fenomeni di adsorbimento, determinazioni e studio di processi anche in ambito biochimico e biologico).
CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Il corso intende fornire strumenti per progettare e caratterizzare gli aspetti chimico-fisici, anche di nuove reazioni, e affrontare la misura delle proprietà chimico fisiche di molecole, materiali polimerici, dei materiali e delle loro superfici.
Nello specifico si tratta quindi di saper applicare il formalismo teorico adeguato ad interpretare correttamente il dato spettroscopico in funzione della particolare tecnica impiegata e della regione spettrale investigata, per poter trattare sistemi complessi ed intervenire efficacemente in contesti innovativi, sia di ricerca che lavorativi, elaborando progetti originali anche nel campo della sintesi e dell'analisi dei prodotti. In dettaglio:
- per le spettroscopie ottiche (sia lineari che non-lineari), saper applicare i concetti dell’elettromagnetismo e della quantomeccanica per descrivere l’esperimento, analizzare il dato sperimentale e ottimizzare i parametri sperimentali della misura;
- per le spettroscopie magnetiche, saper applicare le relative sequenze di impulsi e svolgere l’analisi con gli operatori prodotto per comprendere e razionalizzare l’esperimento, e sapere come variare i parametri dell’esperimento per ottimizzare il risultato. Inoltre, saper ideare nuove sequenze di impulsi in funzione dell’analisi da fare.
Inoltre, saper descrivere correttamente le diverse tecniche e i relativi aspetti applicativi interdisciplinari impiegando tutti i concetti teorici e le tecniche trattate nel corso per applicarle allo studio di processi chimici risolto nel tempo, analisi di inquinanti atmosferici in tempo reale, studi su superfici e interfasi, fenomeni di adsorbimento, determinazioni strutturali, e studio di processi anche in ambito biochimico e biologico.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO
ll corso intende fornire strumenti per analizzare le problematiche di ambito chimico e sapere proporre soluzioni tecniche alternative, sapendo quindi valutare comparativamente l’applicabilità, le problematiche e le prestazioni di diverse tecniche spettroscopiche in funzione del problema chimico da affrontare e/o della ricerca da condurre.
ABILITÀ COMUNICATIVE
Comunicare in modo chiaro, in forma scritta ed orale, informazioni complesse, problemi e risultati delle proprie attività, soluzioni di carattere generale a interlocutori specializzati e non, discutere i risultati delle proprie attività razionalmente, senza ambiguità, presentandoli anche a platee di ascoltatori (da informare e/o preparare), comunicare efficacemente e fluentemente in italiano, con padronanza della lingua in forma scritta, Saper comunicare le conoscenze apprese, il loro formalismo, e il risultato della loro applicazione.

E’ opportuno che gli/le studenti sappiano (e siano capaci di utilizzare) i concetti di base di analisi matematica (vettori, calcolo differenziale e integrale di funzioni di più variabili), di elementi di fisica (elettromagnetismo classico) e di chimica quantistica.

CONCETTI BASE DI MECCANICA QUANTISTICA
Autovalori e autofunzioni, livelli energetici e statistica di Boltzmann. I fenomeni dell’assorbimento indotto, dell’emissione indotta e dell’emissione spontanea e i relativi coefficienti di Einstein. Momenti di transizione di dipolo elettrico e magnetico. Regole di selezione generali e specifica. Classificazione delle spettroscopie a seconda del momento di transizione: spettroscopie ottiche e magnetiche.
SPETTROSCOPIE OTTICHE
Classificazione delle molecole in base ai rispettivi momenti principali di inerzia. La distorsione centrifuga e i suoi effetti. Sostituzione isotopica. Esempi e impieghi in ambito chimico di spettri rotazionali nella regione delle microonde. Spettroscopia infrarossa (IR): trattazione armonica, modi normali, correzioni anarmoniche. Spettroscopia Raman, principi e applicazioni. Discussione e formalismo di alcune moderne tecniche spettroscopiche (anche non lineari) e delle loro applicazioni in ambito di studio del processo chimico, analisi inquinanti, studio delle superfici e delle interfasi, fenomeni di adsorbimento, orientazione delle molecule all’interfaccia: sorgenti laser, spettroscopia in cavità risonante (Cavity RingDown Spectroscopy, CRDS), spettroscopia ATR (Attenuated Total Reflection), spettroscopia SEIRAS (Surface Enhanced InfraRed Absorption Spectroscopy), spettroscopia RAIRS (Reflection-Absorption IR Spectroscopy) e spettroscopia DRIFT. Principi e tecniche SERS e TERS. Principi e tecniche SHG e SFG-VS (Sum Frequency Generation – Vibrational Spectroscopy). Microscopie SHG, THG, 2PH-AF, e loro applicazioni in ambito biologico e biochimico.
SPETTROSCOPIE MAGNETICHE: NMR e EPR
Lo spin nucleare e le sue proprietà quantomeccaniche. Le equazioni fenomenologiche di Bloch e la loro soluzione nel sistema di assi di riferimento fissi e in un sistema di assi rotanti. Processi di rilassamento trasversali (spin-spin) e longitudinali (spin-lattice). Impulsi HARD e SOFT nella spettroscopia FT-NMR e loro modellazione (pulse shaping). Descrizione generale dello strumento. La correzione di fase. Principali hamiltoniani impiegati per la descrizione della spettroscopia NMR in mezzi isotropi e anisotropi. Concetti di base di NMR per lo stato solido. Determinazione sperimentale dei processi di rilassamento spin-lattice e spin-spin. Formalismo degli operatori prodotto. Popolazione e coerenza. Magnetizzazione in-fase e anti-fase e loro interconversione dinamica. Trasferimento di magnetizzazione attraverso l’accoppiamento scalare. Linee guida IUPAC per la descrizione di una sequenza di impulsi NMR. Eco di spin e trasferimento di coerenza eteronucleare per la tecnica INEPT (Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer). Spettroscopie di correlazione (Correlation SpectroscopY). Termini quantici multipli, ordine di coerenza, e loro evoluzione. Tecniche a doppio filtro quantico (Double Quantum Filtered COSY, DQF-COSY). Parametri delle sequenze di impulsi (e analisi con gli operatori prodotto) delle tecniche: HETCOR (HETero-nuclear CORrelation spectroscopy), HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence), HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Coherence), PGSE, LED/BPLED, DOSY-COSY, MAD, SCALPEL, PSYCHE, e alcune loro moderne applicazioni. Pre-saturazione, e analisi sequenze WET, WATERGATE, PE-WATERGATE, WASTED. Cenni sulle tecniche 3D-NMR, tripla risonanza, e loro sequenze.
Spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR): principi, descrizione dello strumento, anisotropia del tensore g. Anisotropia dell’interazione iperfine. Spin labels e spin probes. Applicazioni in ambito chimico.

Per la parte relativa alle spettroscopie ottiche, con particolare riferimento alla parte rotazionale e infrarossa:
- J. M. Hollas, “Modern Spectroscopy”, 4th edition, Wiley, 2003.
Per la parte relative alle spettroscopie magnetiche, con particolare riferimento alla spettroscopia NMR:
N. E. Jacobsen “NMR SPECTROSCOPY EXPLAINED: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology”, John Wiley & Sons, 2007.

Come approfondimento per la parte della spettroscopia EPR si consiglia:
A. Lund, M. Shiotani, S. Shimida, “Principles and Applications of ESR spectroscopy”, Springer, New York, 2011.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova orale (durata di circa 30 minuti).
Tale prova orale consiste in una serie di domande sull’intero programma, alle quali gli/le studenti devono rispondere dimostrando di conoscere e sapere esporre in modo corretto gli argomenti trattati. Verrà inoltre chiesto loro di saper applicare i diversi formalismi impiegati nel corso per descrivere un esperimento spettroscopico giustificandone criticamente i relativi risultati.

Corso frontale organizzato in lezioni comprensive anche di esempi di applicazione di opportuni programmi. Inoltre, articoli scientifici durante le lezioni. Nella piattaforma MOODLE di Ateneo sara' caricato il materiale didattico proiettato in aula durante le lezioni comprensivo di materiale supplementare e di alcuni esempi di applicazione dei concetti per la descrizione ed interpretazione del dato spettroscopico ottenuto dalle diverse tecniche.

Italiano

Accessibilità, Disabilità e Inclusione

Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento:
Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.

LA STRUTTURA E I CONTENUTI DELL'INSEGNAMENTO POTRANNO SUBIRE VARIAZIONI IN CONSEGUENZA DELL'EPIDEMIA DI COVID-19.

orale

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile