OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento proposto intende fornire allo studente una panoramica aggiornata nel campo dei materiali funzionali inorganici con particolare riferimento alle tecniche di sintesi e processo, alle tecniche per la modifica controllata di materiali ed alle loro applicazioni più attuali. Introduction to processes for the preparation and modification of functional inorganic materials. Properties of the synthesized materials and their applications.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Scopo dell'insegnamento è di comprendere il ruolo dei materiali funzionali nelle moderne tecnologie e l'approccio metodologico nella ricerca sui materiali attraverso lo studio di classi differenti di materiali funzionali.

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di comprendere:

- Le funzionalità diverse dei materiali usati come sensori ed atttuatori

- I principi di funzionamento di differenti classi di materiali funzionali.

- Le principali tecniche di sintesi di questi materiali.

- I parametri chimico-fisici che consentono di migliorare l'implementazione di dispositivi.

PREREQUISITI

Insegnamenti fondamentali di chimica e chimica fisica

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento è articolato in lezioni frontali svolte dal docente e, quando possibile, da seminari tenuti da specialisti della materia a livello internazionale, In queste lezioni verrà esposta la teoria che verrà succesivamente applicata a diversi esempi. Gli studenti potranno avvalersi del materiale messo a disposizione su Aulaweb. La frequenza alle lezioni è fortemente consigliata. 

PROGRAMMA/CONTENUTO

Principali tecniche di sintesi di materiali policristallini ed amorfi. Cinetica e meccanismo delle reazioni allo stato solido. Sintesi ceramica. Reazioni epitattiche e topotattiche. Metodo di sintesi per co-precipitazione e metodo dei precursori. Sintesi in flusso di metallo fuso. Sintesi meccanochimica. Processo di sinterizzazione. Sintesi di ceramici classici. Sintesi combustiva. Sintesi idrotermale. Sintesi con microonde. Processo di precipitazione: modello di LaMer. Processo sol-gel. Precursori e reazioni di idrolisi e condensazione; parametri influenzanti il processo. Invecchiamento e tecniche di essiccamento del gel. Aerogel. Esempi di sintesi di materiali mediante tecnica sol-gel.

Crescita di cristalli singoli di materiali funzionali: Principali materiali utilizzati come semiconduttori. Metodi di crescita dei cristalli singoli: crescita di cristalli singoli di Si con il processo Czochralski. Produzione di wafer di Si drogati P e N. Crescita cristalli singoli tramite “zone refinement”. Crescita con metodo Bridgman per GaAs.  

Tecniche di deposizione a film sottile. Processi di evaporazione e trasporto. Tasso di deposizione in PVD. Step coverage. Fasi e processi di deposizione. Crescita epitassiale. Tipologie diverse di matching. Substrati comunemente utilizzati. Eteroepitassia nei semiconduttori. Tecniche di crescita epitassiale (LPE, VPE, MOCVD, MBE). Fasci energetici: fasci elettronici, arco catodico ed anodico, laser pulsato, sputtering ionico. Chemical-vapor deposition (CVD) e confronto con PVD. Trasporto dei gas, reattori e tipiche reazioni globali utilizzate. Precursori. Deposizione di silice.

Materiali ibridi inorganici-organici; entrapping e grafting. Caratteristiche e proprietà dei composti di intercalazione. Sintesi di composti di intercalazione con esempi. Fenomeno di pillaring. Layer a diversa carica o neutri. Composti di intercalazione: a base di grafite, calcogenuri metallici, LixCoO2, LixMn2O4. Idrotalciti.

Caratteristiche e metodi di sintesi di materiali nanostrutturati.

Esempi di materiali funzionali:

Materiali a memoria di forma (leghe e materiali ceramici). Principi base delle transformazioni martensitiche. Meccanismi dell’effetto a memoria di forma e della superelasticità. Varie leghe a memoria di forma con speciale enfasi su Ti-Ni. Applicazioni varie come attuatori e smart materials. Leghe a memoria di forma ferromagnetiche.

Materiali per celle a combustibile. Vantaggi e svantaggi ed influenza sull'efficienza nei diversi tipi di celle a combustibile: Alkaline Fuel Cell. Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Phosphoric Acid Fuel Cells, Molten Carbonate Fuel Cells, Solid Oxide fuel Cells.

LED (light emitting diodes): Materiali utilizzati come LED. Dai LED-IR ai LED visibile. Un esempio dell’importanza delle tecniche di deposizione di film sottili: la costruzione del LED blu

Materiali inorganici per il fotovoltaico di prima, seconda e terza generazione.

Materiali termoelettrici: Effetto Seebeck ed effetto Peltier. Figura di merito zT. Moduli termoelettrici. Ottimizzazione della figura di merito.

Materiali piezoelettrici: Piezoelettricità e simmetria cristallina. Titanato zirconato di piombo e altri materiali perovskitici. Campi di applicazione.

Batterie a ioni Li e supercapacitori. Metodi di stoccaggio dell’energia: Batterie ad ioni Li e Supercapacitori. Rocking Chair di ioni Li. Scelta degli elettrodi per Li-ion. Principi di funzionamento dei supercapacitori e materiali di utilizzo.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Synthesis of Inorganic Materials, U.Schubert, N.Hüsing, Wiley-VCH, 2012

Basic Solid State Chemistry, A.R.West, Wiley-VCH, 1984

Solid State chemistry, Anthony R. West, J. Wiley e Sons 1990

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MAURO GIOVANNINI (Presidente)

GABRIELE CACCIAMANI

PAOLA RIANI (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 28 febbraio 2022 (secondo l'orario riportato sul sito http://www.chimica.unige.it/didattica/Home_SC  e/o  https://corsi.unige.it/9018  ) 

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La valutazione consiste nella verifica accurata, nel corso di un esame scritto e di uno orale di almeno 40 minuti, del raggiungimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

I dettagli sulle modalità di preparazione per l'esame e sul grado di approfondimento di ogni argomento verranno dati nel corso delle lezioni. Gli esami verteranno sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali. Ogni docente valuterà se e in quale grado sono stati raggiunti dallo studente i risultati di apprendimento attesi in base agli obiettivi formativi (conoscenza di base delle tecniche di sintesi e di processo nei materiali). In caso contrario lo studente è invitato ad approfondire lo studio avvalendosi anche di ulteriori spiegazioni da parte dei docenti.

Calendario appelli