CHEMISTRY FOR NANOTECHNOLOGY

L’insegnamento fa parte delle attività formative caratterizzanti del corso di laurea Magistrale in Science and Technology of Bio and Nanomaterials che consente allo studente di acquisire alcuni concetti base di chimica delle nanotecnologie.
Gli obiettivi formativi si propongono di fornire agli studenti le basi per la comprensione delle principali metodologie di sintesi di sistemi nanostrutturati e colloidali, i modelli di formazione (classici e non classici) di nanocristalli da fasi liquide, e degli effetti del confinamento quantico sulle loro proprietà chimico-fisiche. Verranno infine introdotti i concetti fondamentali delle tecniche di analisi di materiali nanostrutturati e colloidali e verranno illustrati aspetti applicativi.

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

1. Conoscenza e comprensione
a) Conoscere e comprendere le principali metodologie di sintesi colloidali discusse nel corso
b) Conoscere e comprendere i principali modelli di nucleazione e crescita
c) Conoscere e comprendere le principali proprietà chimico-fisiche dei nanomateriali

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
a) Saper applicare i concetti e i modelli appresi nell’esecuzione di una serie di esperienze sperimentali di sintesi
b) Saper scegliere la metodologia di sintesi più adatta per un dato nanomateriale
c) Saper prevedere e interpretare in maniera logica gli effetti di confinamento quantico su nanoparticelle di metalli e semiconduttori

3. Capacità di giudizio
a) Saper valutare criticamente la consistenza di una metodologia di sintesi e valutare la possibilità di sintesi alternative
b) Saper valutare la consistenza dei risultati riguardanti le esperienze effettuate

4. Abilità comunicative
a) Saper usare in maniera appropriata la terminologia e la simbologia scientifica introdotta durante il corso
b) Saper interagire con il docente e i compagni di corso in maniera attiva, in modo che la comunicazione avvenga in maniera costruttiva, rispettosa e formalmente corretta.

5. Capacità di apprendimento
a) Saper prendere appunti in maniera efficace e rigorosa, evidenziando i concetti appresi in base alla loro importanza
b) Saper consultare criticamente i testi e il materiale indicato dal docente

Conoscenze di base di chimica inorganica, chimica organica, chimica fisica/scienza dei materiali e fisica dello stato solido.

INTRODUZIONE ALLA CHIMICA E ALLA STRUTTURA DELLA MATERIA
Introduzione generale. Legami chimici, la struttura cristallina di solidi semplici (descrizione di strutture cristalline, metalli, leghe e solidi ionici) e la struttura elettronica dei solidi (materiali dielettrici, semiconduttori e metallici).

INTRODUZIONE AI NANOMATERIALI e ALLE TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE
“Nanoscale: size matters!”. Accenni storici, definizioni e classificazioni. Processi sintetici (metodologie top-down e bottom-up). Introduzione alle tecniche sperimentali per l’analisi di nanomateriali: diffrazione a raggi-X (XRD), microscopia elettronica a scansione e trasmissione (SEM/TEM), spettroscopia ottica (assorbimento, riflettanza, scattering e luminescenza), STM and AFM.

CONCETTI FONDAMENTALI DI SINTESI DI NANOPARTICELLE COLLOIDALI
Preparazione di colloidi da metodi di dispersione. Concetti fondamentali di Sintesi di nanoparticelle colloidali (teorie classiche e non classiche di nucleazione e crescita), effetti dimensionali e di agenti cappanti.
Panoramica dei metodi convenzionali di sintesi bottom-up in fase liquida:
(i) Metodi colloidali (e.g. nucleazione da soluzioni/coprecipitazione, metalli colloidali mediante riduzione chimica, decomposizione termica/hot injection, seeded growth, sintesi a base di polioli, metodo idrotermico e solvotermico, microemulsioni);
(ii) Metodi sol-gel: sintesi di nanosistemi per mezzo di sol-gel acquoso (idrolisi e condensazione) e processi sol-gel non-idrolitici;
(iii) Metodi templati per la sintesi di nanoparticelle supportate (soft and hard templating methods) e nanoparticelle di silice mesoporosa.
Esempi degli effetti delle diverse procedure di sintesi per diverse famiglie di composti.

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE DEI NANOMATERIALI
Properties of nanomaterials: electrical, mechanical, magnetic and optical properties. Quantum confinement effect on (i) metals (localized surface plasmon resonance and Mie theory), (ii) semiconductors (discretization, optical properties and QDs) and (iii) phase transitions (effect on melting temperatures and metastable phases stabilization). Overview on luminescent inorganic nanomaterials (lanthanide-doped nanocrystals, quantum dots, metal halide perovskite nanocrystals).

LABORATORIO e SEMINARIO DEGLI STUDENTI
Lezione di introduzione al laboratorio. Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle di composti inorganici in relazione ai contenuti teorici del corso (metalli, fluoruri e silici). Caratterizzazione spettroscopica per seguire la cinetica di formazione e per lo studio delle proprietà ottiche (UV-VIS, PL), analisi strutturale (raggi-X) e morfologica (dimensioni e forma per mezzo di analisi SEM) delle nanoparticelle sintetizzate. Lezione di analisi dei dati e meeting finale tra gli studenti per la discussione delle esperienze e dei risultati ottenuti.
Le attività di laboratorio sono a frequenza obbligatoria.

Concetti richiamati durante le lezioni: Configurazione elettronica di atomi e ioni. Proprietà periodiche in chimica (raggi ionici, energia di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività. Proprietà in soluzione (solubilità). Equilibri chimici: acido-base, precipitazioni e redox.

Appunti di lezione. Materiale didattico fornito dal docente nel corso delle lezioni. Articoli scientifici verranno indicati durante il corso.

C. de Mello Donega, Nanoparticles, Springer-Verlag, 2014
C.N.R. Rao, A. Muller, A.K. Cheetham, Nanomaterials Chemistry: Recent Developments and New Directions, WILEY-VCH, 2007
D. Vollath, Nanomaterials: An Introduction to Synthesis, Properties, and Applications, WILEY-VCH, Second Edition, 2013

Concetti di chimica inorganica di base:
D. Shiver, M. Weller et al., Inorganic Chemistry, W. H. Freeman and Company, 2014, Chapters 2-5, 8

La verifica dell’apprendimento avviene tramite una prova scritta basta su tre domande aperte (75% del punteggio finale) e sulla valutazione delle relazioni di laboratorio (25% del punteggio finale). L’obiettivo di questa prova è verificare che lo studente abbia acquisito i concetti durante le lezioni. La durata di tale prova è di 2 ore dove non viene consentito l’uso di appunti, libri e supporti elettronici. Le relazioni di laboratorio devono essere consegnate non più tardi di due settimane prima dall’esame e, come termine ultimo, non più tardi di tre mesi dalla conclusione del laboratorio.

L’insegnamento è organizzato in lezioni frontali e laboratorio. Al fine di stimolare una discussione degli argomenti affrontati in laboratorio, i risultati delle esperienze verranno discussi durante un meeting tra gli studenti. La frequenza al laboratorio e ad almeno l’80% delle lezioni è obbligatoria.

Inglese

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.

scritto

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale umano, salute, educazione" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile