NANOMATERIALS CHEMISTRY AND LABORATORY

L’insegnamento ricade tra le attività formative caratterizzanti per il corso di laurea magistrale in Science and Technologies of Bio and Nanomaterials. L'obiettivo formativo specifico dell’insegnamento, che comprende sia lezioni teoriche che sessioni di laboratorio, è quello di fornire conoscenze avanzate sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione di nanomateriali inorganici. Il corso si prefigge lo sviluppo di competenze che consentano agli studenti di applicare diverse classi di nanomateriali inorganici in vari ambiti, tra cui il biomedicale (diagnostica, drug delivery, targeting, gene therapy) e la conversione energetica sostenibile (catalisi/fotocatalisi).
Gli studenti saranno messi in grado di analizzare e di comprendere tematiche scientifiche complesse riguardanti le scienze dei nanomateriali in tutti i loro aspetti, individuandone criticamente le potenzialità e le eventuali criticità non solo riguardo all'acquisizione di nuova conoscenza, ma anche in prospettiva applicativa. Per raggiungere questi obiettivi, all’interno dell’insegnamento è previsto un congruo numero di CFU di esercitazioni di laboratorio, con l’impiego di metodologie e tecnologie avanzate, consentendo agli studenti di tradurre in ambiti applicativi le conoscenze acquisite durante le lezioni teoriche del corso e permettendo loro di sviluppare capacità peculiari e specifiche nella progettazione e manipolazione di composti su scala nanometrica.

1. Conoscenza e comprensione.
I) Dimostrare una conoscenza e una comprensione adeguata dell'attuale stato dell'arte della chimica dei nanomateriali.
II) Conoscere la differenza tra materiali massivi (di bulk) e nanomateriali e i metodi strumentali adatti a riconoscerli.
III) Comprendere le relazioni esistenti tra la struttura di un nanomateriale e l’effetto “quantum size”.
IV) Conoscere la differenza tra gli approcci sintetici chimico (bottom-up) e fisico (top-down) per la preparazione di nanomateriali.
V) Saper controllare e modulare i vari parametri durante il processo di sintesi per ottenere nanostrutture con dimensioni e morfologia specifiche e quindi proprietà strutturali, ottiche e funzionali controllate.
VI) Conoscere le metodologie sintetiche basate sull’impiego di tensioattivi soft e hard per controllare e modulare morfologia, porosità e area superficiale specifica di nanomateriali.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
I) Saper impiegare i concetti appresi per prevedere ed interpretare in modo logico le proprietà chimico-fisiche e ottiche di un nanomateriale inorganico.
II) Saper proporre applicazioni tecnologiche coerenti e fattibili di nanomateriali inorganici in campo biomedico, farmaceutico, industriale, energetico.
3. Capacità di giudizio
I) Utilizzare le conoscenze acquisite per valutare quali metodi di sintesi possono essere più adatti per realizzare materiali nanostrutturati di vari composti inorganici (metalli, semiconduttori, ossidi).
II) Saper valutare i campi di applicazione dei nanomateriali inorganici.
III) Considerare i rischi potenziali per la salute umana derivanti dalla esposizione a nanomateriali.
4. Abilità comunicative
I) Saper utilizzare la terminologia e la simbologia scientifico-tecnica appropriate per la discussione, sia scritta che orale, dei contenuti del corso.
II) Saper interagire costruttivamente con il docente e con gli altri studenti.
5. Capacità di apprendimento
I) Saper elaborare in modo autonomo i concetti fondamentali sviluppati a lezione.
II) Saper effettuare connessioni logiche tra gli argomenti del corso.

I prerequisiti includono una conoscenza generale della Chimica, Scienza dei Materiali e Fisica dello stato solido. In particolare, è necessario che gli studenti abbiano competenze inerenti gli aspetti fondamentali della chimica generale ed inorganica.

In relazione agli obiettivi formativi e ai risultati di apprendimento attesi, riportati nelle sezioni relative, i contenuti teorici del corso possono essere così suddivisi:
I) Nanomateriali: definizione e peculiarità.
II) Approcci sintetici di tipo chimico (bottom-up) e fisico (top-down).
III) Effetto quantum size e confronto delle proprietà chimiche, fisiche, ottiche, elettroniche e catalitiche di materiali massivi (bulk) e nanomateriali.
IV) Metodologie di sintesi di nanoparticelle inorganiche (principalmente silice e titania) di opportune morfologia, porosità e dimensioni, mediante l’impiego del processo sol-gel.
V) Processo sol-gel: Influenza dei parametri di sintesi (pH, temperatura, natura del precursore, polarità del solvente, etc…) sul prodotto finale.
V) Classificazione dei tensioattivi soft. Micelle e micelle inverse. Emulsioni e microemulsioni.
VI) Aggregati supramolecolari, classificazione della porosità, materiali a mesoporosità ordinata e loro impiego per la preparazione di nano- e bio-materiali.
VII) Sintesi e applicazione di opali diretti e inversi come cristalli fotonici.
VIII) Impiego della silice in campo biomedico.
IX) Nanoparticelle: forme, dimensioni, composizione.
X) Sistemi colloidali.
XI) Nanoparticelle di Au: storia, proprietà.
XI) Sintesi e modulazione dei parametri sintetici per l’ottenimento di nano-sfere, -bastoncini, -gusci, -gabbie, sistemi core-shell.
XIII) Impiego delle nanoparticelle metalliche in campo biomedico (terapia fototermica, imaging, etc…).
XIV) Aspetti biologici e bioetici degli effetti delle nanoparticelle sull'ambiente e sulla salute umana.
Le esperienze svolte in laboratorio sono le seguenti:
I) sintesi di sfere di silice a mesoporosità ordinata mediante l’uso di tensioattivi soft; sintesi di nanoparticelle di oro con metodologie e dimensioni differenti; preparazione di opali diretti di PMMA e inversi di silice.
II) caratterizzazione chimico-fisica e ottica dei materiali sintetizzati mediante misure di porosità per fisisorbimento di gas (area superficiale, volume totale e distribuzione dei pori); ; spettroscopia infrarossa in riflettanza diffusa (DRIFT-IR); spettroscopia UV-vis in riflettanza diffusa (DRIFT-UV-vis); spettrofotometria UV-vis in soluzione e microscopia elettronica a scansione (SEM).

- Appunti di lezione.
- Slide di lezione e dispense di laboratorio fornite dal docente.
- Serie di pubblicazioni scientifiche fornite dal docente.
- "Bio- and Bioinspired Nanomaterials" - Daniel Ruiz-Molina, Fernando Novio, Claudio Roscini; 2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
- Gold Nanoparticles for Physics, Chemistry and Biology" 2nd Edition - Catherine Louis, Olivier Pluchery; 2017, World Scientific.
- “Nanostructures & Nanomaterials - Synthesis, Properties & Applications” - G. Cao, Imperial College Press 2004.
- “Optical properties and Spectroscopy of Nanomaterials” - J.Z. Zhang, Ed. World Scientific 2009.
- “Optical properties of Nanoparticle Systems” - M. Quinten. Ed., WILEY-VCH 2011.

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso la consegna di un elaborato finale (relazioni di laboratorio) e una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40-50 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma, partendo dalle esperienze svolte in laboratorio. L’esame consiste di una serie di domande alle quali gli studenti devono rispondere dimostrando di conoscere e saper esporre gli argomenti dell’intero programma svolto (si veda la sezione contenuti) con proprietà di linguaggio ed uso della simbologia scientifica in ambito chimico.
Gli studenti sono ammessi alla prova orale dopo consegna, entro i termini previsti, di una relazione sulle esperienze svolte in laboratorio.
Il voto finale dipenderà sia dalle relazioni di laboratorio (30%) che dall'esame orale (70%).

L’insegnamento è organizzato in lezioni frontali comprensive di esempi e di esperienze in laboratorio (frequenza obbligatoria in aula per almeno il 75% e in lab per almeno l'80% delle ore previste), con sintesi e caratterizzazione di materiali strettamente legati ai contenuti erogati frontalmente. Nella piattaforma e-learning Moodle è presente e scaricabile il materiale didattico.

A causa dell'emergenza sanitaria COVID-19, le sessioni di laboratorio non saranno svolte in presenze, ma eccezionalmente sostituite da video tutorial e dalla realizzazione di un report scientifico.

Inglese

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


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.

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