Corso di laurea - Area di Scienze MM.FF.NN. - Accesso libero, con verifica delle conoscenze in ingresso. L'esito della prova non preclude la possibilità di immatricolarsi (D.M. 270/2004) - Classe L-30
Lingua: Italiano
Informazioni generali
o Classe di Laurea: L-30
o Tipologia di corso: primo livello
o Durata: 3 anni
o Tipo di accesso: Accesso libero, con verifica delle conoscenze in ingresso
o Area di afferenza: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
o Dipartimento: Fisica
o Codice corso: H10
Descrizione e obiettivi formativi
La Scienza dei Materiali studia le proprietà e la produzione di nuovi materiali, resi possibili dalle nano-scienze e dalle nano-tecnologie: nata nella seconda metà del XX secolo, è un'area di ricerca interdisciplinare tra fisica e chimica della materia, biologia e ingegneria.
Progressi in tale campo sono di vitale importanza per l'industria elettronica, per le comunicazioni, la medicina, l'industria tessile, l'energia e l'ambiente.
Il corso di studio è volto a fornire una solida formazione di base che comprenda un’equilibrata miscela di conoscenze di fisica e chimica volte alla comprensione delle caratteristiche fondamentale della vasta gamma di materiali oggi disponibili. Gli insegnamenti dei primi tre semestri puntano a fornire le basi di Fisica (meccanica, elettromagnetismo e teoria della misura), Chimica (generale, inorganica ed organica), Matematica (Calcolo e Geometria) e di Informatica, indispensabili alla comprensione degli insegnamenti più formativi di Fisica e Chimica che si svolgeranno nei semestri successivi.
Nel quarto e quinto semestre si forniranno corsi relativi alla comprensione della Meccanica Quantistica, dell'Elettronica, della Chimica Fisica e della Chimica dei Solidi. Infine l'ultimo semestre è dedicato al completamento delle conoscenze della materia condensata coi i corsi di Fisica dei Solidi e di Fisica dei Materiali e allo svolgimento di uno stage esterno obbligatorio orientato a maturare la professionalità dello studente. Tutti i corsi citati sono integrati con attività laboratoriali.
Sbocchi professionali
I laureati in Scienza dei Materiali possono accedere direttamente al corso di Laurea Magistrale in Scienza e Tecnologia dei Materiali, inoltre avendo acquisito competenze scientifiche sperimentali, saranno in grado di svolgere attività relative alle seguenti funzioni: caratterizzazione fisica e chimica dei materiali; sintesi di materiali inorganici e polimerici; controllo di qualità dei materiali, dei prodotti e dei processi.
I settori industriali interessati a queste figure professionali sono prevalentemente quelli manifatturieri coinvolti in produzioni di beni con caratteristiche di tipo chimico, meccanico, aeronautico o elettronico, senza trascurare settori di produzione per il miglioramento dell'ambiente, il risparmio di energia e della conservazione dei beni culturali.
Condizione occupazionale (Indicatori di efficacia e livello di soddisfazione dei laureandi):
http://statistiche.almalaurea.it/universita/statistiche/trasparenza?CODICIONE=0580206203000007
Valutazione della didattica - Studenti
Anno accademico precedente
Riferimenti web e contatti
Sito Web della Macroarea: http://www.scienze.uniroma2.it/
Sito Web del Corso: https://www-2022.scienze.uniroma2.it/2022/10/17/scienza-dei-materiali/
Coordinatore del Consiglio Corso di Studi:
Prof.ssa Maurizia Palummo
Tel.: 06 7259 4538
e-mail: palummo@roma2.infn.it
Orario di ricevimento: contattare docente
Segreteria didattica:
Samanta Marianelli
Tel.: +39 06 7259.4849
e-mail: samanta.marianelli@uniroma2.it
Per sostenere la prova finale del corso di laurea triennale, lo studente -avendo superato tutti gli esami di profitto relativi agli insegnamenti inclusi nel proprio piano di studi, le eventuali prove di idoneità ed essendo in regola con il versamento delle tasse e dei contributi richiesti- presenta agli uffici competenti la domanda di laurea secondo le modalità stabilite dall'ateneo. Per conseguire la laurea, lo studente deve aver acquisito 180 CFU (distribuiti nei vari ambiti formativi secondo l'offerta formativa vigente), comprensivi di quelli relativi alla conoscenza obbligatoria, oltre che della lingua italiana, di una lingua dell'Unione europea, fatte salve le norme speciali per la tutela delle minoranze linguistiche. La laurea si consegue con il superamento della prova finale, la quale consiste nella presentazione e nella successiva discussione orale di una relazione scritta, su un argomento attuale di ricerca, nel settore prescelto dallo studente.
L'argomento della prova finale è proposto da un docente del CdS (nominato dal CdS su proposta del Coordinatore) avente ruolo di supervisore, con l'incarico di seguire lo studente in tutte le fasi della preparazione della prova finale.
In essa il candidato deve dimostrare di saper discutere una problematica di interesse della Scienza dei Materiali, approfondita durante lo stage obbligatorio, della durata di norma non superiore a tre mesi, svolto presso un Laboratorio di azienda/ente esterno all'ateneo (pubblico o privato) riconosciuto, previa autorizzazione del CdS e sotto il controllo di un tutore scientifico interno. La discussione pubblica avviene davanti ad una commissione di docenti del CdS tra cui il docente supervisore, più il tutore dell'azienda/ente che ha seguito lo studente durante il suo stage. La valutazione finale è espressa in centodecimi, con eventuale lode. L'elaborato finale deve essere scritto in lingua italiana.
La prova finale è sostenuta in lingua italiana. Le procedure per il sostenimento della prova finale e per la presentazione dell'elaborato finale sono descritte nella Guida dello studente.
Il Corso di Laurea in Scienza dei Materiali appartiene alla Classe delle Lauree in Scienze e Tecnologie Fisiche (classe L-30, ex DM 270/04), ha una durata prevista di tre anni ed è articolato su un percorso formativo che prevede 20 esami. Il laureato in Scienza dei Materiali può accedere ai corsi di studio di livello superiore, come la laurea magistrale, di carattere più formativo, o ad un Master di I livello. Il corso è volto a fornire una solida formazione di base nel campo della Scienza dei Materiali che per sua natura è una equilibrata miscela di conoscenze di fisica e di chimica mirate alla comprensione delle caratteristiche fondamentale della vasta gamma di materiali oggi disponibili. Gli insegnamenti dei primi tre semestri puntano a fornire le basi di Fisica (meccanica, elettromagnetismo e teoria della misura), Chimica (generale, inorganica ed organica), Matematica (Calcolo e Geometria) e di Informatica, indispensabili alla comprensione degli insegnamenti più formativi di Fisica e Chimica che si svolgeranno nei semestri successivi.
Nel quarto e quinto semestre si forniranno corsi relativi alla comprensione della Meccanica Quantistica, dell'Elettronica, della Chimica Fisica e Chimica dei Solidi.
Infine l'ultimo semestre fornisce un corso di Fisica dei Solidi.
Ad orientare fortemente la professionalità dello studente concorre anche, durante lo stesso ultimo semestre, lo stage obbligatorio (da svolgersi, secondo decisione del Consiglio di Corso di Studi, all'interno o all'esterno dell'Università), che completa la formazione triennale degli studenti di questo corso.
Per l'anno accademico 2022/2023 l'immatricolazione al corso di laurea triennale in Scienza dei Materiali è libera, ma subordinata alla partecipazione ad una prova di verifica delle conoscenze di base (test), come previsto dalla normativa vigente. La verifica avviene mediante un test di verifica non selettivo, il cui esito non preclude la possibilità di immatricolarsi, ma ha lo scopo di verificare il grado di possesso delle conoscenze indispensabili e segnalare in anticipo allo studente eventuali carenze. Il test di verifica: - è previsto in modalità 'a distanza' contestualmente alla immatricolazione, su una piattaforma web di ateneo appositamente predisposta - è gratuito - può essere svolta dallo studente in qualsiasi momento ed in totale autonomia. L' idoneità si consegue raggiungendo un punteggio minimo di 8 secondo quanto indicato nel bando. Gli studenti che non conseguono il punteggio minimo stabilito potranno comunque immatricolarsi ma verranno assegnati loro specifici obblighi formativi aggiuntivi. Sono esonerati dalla prova di verifica delle conoscenze gli studenti che hanno superato l’esame di stato conclusivo del corso di studio di istruzione secondaria superiore, con un voto pari o superiore a 95/100 (o 57/60). Gli studenti dovranno seguire la procedura indicata nel bando registrandosi ai test sul sito dei Servizi on-line di Ateneo http://delphi.uniroma2.it
Il corso è volto a fornire una solida formazione di base nel campo della Scienza dei Materiali che per sua natura è una equilibrata miscela di conoscenze di fisica e di chimica mirate alla comprensione delle caratteristiche fondamentale della vasta gamma di materiali oggi disponibili. Gli insegnamenti dei primi tre semestri puntano a fornire le basi di Fisica (meccanica, elettromagnetismo e teoria della misura), Chimica (generale, inorganica ed organica), Matematica (Calcolo e Geometria) e di Informatica, indispensabili alla comprensione degli insegnamenti più formativi di Fisica e Chimica che si svolgeranno nei semestri successivi.
Nel quarto e quinto semestre si forniranno corsi relativi alla comprensione della Meccanica Quantistica, dell'Elettronica, della Chimica Fisica e Chimica dei Solidi.
Infine l'ultimo semestre fornisce un corso di Fisica dei Solidi e di Fisica dei Materiali.
Ad orientare fortemente la professionalità dello studente concorre anche lo stage esterno obligatorio, salvo diversa decisione del Consiglio di Corso di Studi, che completa la formazione triennale degli studenti di questo corso.
Le conoscenze richieste per accedere a questo corso di Laurea sono quelle necessarie ad intraprendere adeguatamente un corso di tipo scientifico di livello universitario.
Conoscenze matematiche di base tipiche della scuola secondaria superiore.
Per quanti non possedessero tali livelli di conoscenza, verificabile con un test di ingresso, è prevista la frequentazione di un corso di Matematica elementare fruibile prima dell'inizio regolare dei corsi in Scienza dei Materiali.
Cristallo all’equilibrio: Sovrassaturazione, Equazione di Gibbs-Thomson, Equazione di Laplace, Teorema di Wulff, Cristallo su una superficie, Formula di Herring, Approccio atomistico alla crescita dei cristalli, Modello di Jackson. Nucleazione: Termodinamica della nucleazione, Nucleazione omogenea ed eterogenea, Velocità di nucleazione, Teoria atomistica della nucleazione. Crescita del cristallo: Crescita normale su superfici R, Crescita su superfici F, Crescita da fase vapore, Velocità di avanzamento di un gradino, Velocità di avanzamento di un treno di gradini, Crescita da una nucleazione bidimensionale, Crescita strato per strato, Barriera di Ehrlich-Schwoebel. Molecular Beam Epitaxy: Processo di crescita, Tecnica e reattori di crescita. Tecniche per il monitoraggio della crescita: RHEED e LEED.
Natura della luce e componenti ottici. Interazione radiazione materia. Elementi di fisica dello stato solido. Polarizzazione della luce. Dicroismo. Birifrangenza. Effetti ottici indotti. Modulazione della luce: Effetto elettro-ottico, effetto acusto- ottico. Modulatori ottici. Fotorivelatori: termici e fotonici. I modi del campo elettromagnetico in una cavità. Relazione con i fotoni. Teoria microscopica e macroscopica dell’assorbimento ottico. Coefficienti di Einstein. Inversione di popolazione. Modi assiali e trasversali. Allargamenti di riga. Laser a stato solido, a gas, a liquido, parametrici. Mode locking, Q-switching. Alcuni tipi di laser e loro applicazioni Ottica all’interfaccia tra due mezzi. Cenni di ottica guidata. Guide d’onda dielettriche. Modi ottici in guide planari e guide canali. Perdite ottiche in film sottili. Fibre ottiche. Cenni su alcune tecniche di spettroscopia ottica: assorbimento, emissione, tempi di vita, ellissometria spettroscopica. Sono previste alcune esercitazioni di laboratorio su argomenti svolti a lezione.
Numeri reali, numeri complessi. Funzioni reali. Continuità. Derivate. Studi di funzioni. Integrali definiti e indefiniti. Teorema fondamentale del calcolo. Successioni. Calcolo combinatorio. Formula di Taylor. Equazioni differenziali (cenni). Risoluzione dei sistemi lineari, eliminazione di Gauss. Rango di una matrice e numero dei parametri liberi dello spazio delle soluzioni di un sistema lineare. Autovalori e autovettori, riduzione di una matrice simmetrica a una forma diagonale. Elementi di algebra: gruppi e gruppi commutativi; anelli, campi.
Richiami di fondamenti di fisica dei solidi. Modello di Drude. Densità degli stati e statistica degli elettroni. Elettroni in una struttura periodica. Semiconduttori Massa efficace. Concentrazione dei portatori intrinseci. Drogaggio e portatori estrinseci. Scattering e mobilità dei portatori Trasporto in un campo (relazioni velocità-campo) e per diffusione Relazione di Einstein Break-down, Ionizzazione per impatto, Tunneling attraverso barriera Processi ottici. Livelli quasi-Fermi Generazione e ricombinazione radiativa e nonradiativa. Deep traps (Shockley-Read-Hall) Equazione di continuità Correnti di spostamento e di diffusione. Equilibrio alla giunzione p-n. Polarizzazione del diodo Diodo reale. Eterogiunzioni Risposta temporale del diodo Giunzione metallo semiconduttore Diodo Schottky Contatti ohmici Isolanti e semiconduttori; Interconnessioni, Resistori, Sheet resistence Funzionamento concettuale di un dispositivo bipolare. Caratteristiche I-V di un dispositivo bipolare. Parametri di funzionamento di un BJT. Alta frequenza/alta velocità Dispositivi ad effetto di campo. Caratteristiche corrente-voltaggio Alta frequenza/alta velocità. Capacità MOS. Caratteristiche corrente voltaggio Dispositivi Reali. Inverter CMOS. ChargeCoupledDevice Introduzione ai dispositivi optoelettronici. Assorbimento ed emissione da coppie di portatori. Giunzione p-n come rivelatore fotoconduttivo e dispositivo fotovoltaico. Diodo ad emissione di luce e laser a diodo. Guadagno ottico in un diodo laser Propagazione all’interfaccia tra due dielettrici. Coefficienti di Fresnel. Principi di ottica guidata Guide d’onda planari e canali Modi di propagazione e tecniche di inserzione di luce in guida
Panoramica su materiali e l tecnologie elettroniche. Proprietà strutturali ed elettroniche dei semiconduttori. Proprietà ottiche dei semiconduttori. Il Silicio, il Germanio, il GaAs ed i semiconduttori composti (+ leghe binarie e ternarie) . La giunzione p-n, le eterogiunzioni ed i dispositivi elettronici. Principi di funzionamento di diodi e transistor (classificazione) I semiconduttori organici (possibile seminario). La produzione dei semiconduttori e dei dispositivi. Package dei dispositivi.
Meccanica: fenomeni, osservazioni, misure. Algebra vettoriale. Cinematica del punto materiale. Dinamica del punto materiale e dei sistemi di punti. Lavoro ed energia. Urti elastici ed anelastici. Dinamica dei sistemi rigidi. Onde e moti armonici Elementi di relatività ristretta. Dinamica dei fluidi. Calorimetria: concetto di temperatura, gas reali e gas perfetti. Trasmissione del calore
Introduzione alle molecole organiche e ai gruppi funzionali. Nomenclatura. Rappresentazioni delle molecole. Forze intermolecolari. Correlazioni struttura-proprietà fisiche. Spettroscopia UV-vis e IR. Solventi, solubilità. Introduzione alla spettrometria NMR (1H e 13C). Risonanza ed aromaticità. Proprietà acido-base di molecole organiche (Brønsted e Lewis). Spettrometria di massa. Conformazioni e Configurazioni (Stereoisomeri geometrici ed ottici). Introduzione alla cinetica ed al meccanismo di reazione. Reazioni delle principali classi organiche: Alcani e cicloalcani, Alogenuri alchilici, Alcoli, Eteri, Ammine, Alcheni, Alchini, Dieni Composti aromatici. Composti carbonilici e loro derivati azotati, Acidi carbossilici e loro derivati (esteri, ammidi, anidridi, alogenuri acilici, nitrili).
Il corso è rivolto a studenti del primo anno che desiderano acquisire una conoscenza di base sui fondamenti teorici e sperimentali della struttura e le proprietà di Scienza dei Materiali. Il programma comprende: ciclo dei materiali. Le forze di coesione. Condensazione della materia, cristallo, vetro e varie forme di aggregazione dello stato condensato. Diffrazione di raggi X. Deformazione elastica e plastica di un materiale Conducibilità termica. Conducibilità elettrica dei materiali. Semiconduttori, metalli, superconduttori. Cella solare.
La struttura cristallina dei metalli. Difetti cristallini (di punto, di linea e di superficie). Prove meccaniche: trazione, durezza, micro-durezza, fatica, Charpy e creep. La diffusione. Le leggi di Fick. Soluzione di problemi di interesse metallurgico. Diagrammi di stato di leghe metalliche binarie. Equilibrio nei sistemi a più componenti. Diagrammi di stato ternari. Classificazione delle trasformazioni di fase allo stato solido. Diagramma di stato Fe-C. Effetto degli elementi di lega negli acciai. Trattamenti termici. Curve TTT e CCT. Microstrutture di equilibrio e di non equilibrio degli acciai. Temprabilità degli acciai. Prova Jominy. Nitrurazione e cementazione. Aspetti generali della solidificazione dei metalli. Descrizione delle più comuni metodologie di saldatura. Classificazione e proprietà delle leghe ferrose: acciai strutturali, da bonifica, per molle, per utensili. Gli acciai inossidabili (ferritici, martensitici, duplex e austenitici). Le ghise. Classificazione e proprietà delle leghe non ferrose: di alluminio, rame, titanio, magnesio e nichel.
Il programma del corso verterà sugli aspetti di base legati alla definizione, caratterizzazione e ottimizzazione dell’interfaccia molecola-superficie e su esempi di applicazioni. Di seguito sono elencati i principali temi che verranno trattati: Molecole organiche su superfici: introduzione. Superfici, adsorbati e interfacce: metodi di preparazione e studio della loro morfologia e struttura. Tecniche per l’analisi, la caratterizzazione e l’ottimizzazione dell’interfaccia molecola-superficie (spettroscopie elettroniche e vibrazionali, microscopia a scansione a sonda locale). Elettronica Molecolare. Polimeri bidimensionali. Chiralità in due dimensioni indotta dall’assorbimento di molecole.
DISCUSSIONE DEI METODI STATISTICI PER TRATTAMENTO DEI DATI ED ANALISI DEGLI ERRORI. 1. Errori di misura ed incertezze sperimentali. a. Inevitabilità dell'incertezza in una misura sperimentale. Stima delle incertezze: nella lettura della scala di uno strumento di misura, nella ripetizione di una misura. Migliore stima di una grandezza. Cifre significative. Confronto tra misure. Incertezze relative. b. Propagazione delle incertezze sperimentali. Misurazione diretta e valutazione indiretta di grandezze fisiche. Propagazione degli errori per misure affette da incertezze casuali ed indipendenti. Propagazione degli errori massimi. 2. Analisi statistica dei dati sperimentali. a. Errori casuali ed errori sistematici. Media e deviazione standard. Deviazione standard per una singola misura. Deviazione standard della media. b. La distribuzione di Gauss. Istogrammi e distribuzioni. Distribuzioni limite. La distribuzione normale. Deviazione standard e limite di confidenza. Il valor medio come miglior stima della misura di una grandezza. Deviazione standard della media. c. Rigetto dei dati sperimentali. Criterio di Chauvenet. d. La media pesata. Il problema della combinazione di misure diverse per una stessa grandezza. e. Il metodo dei minimi quadrati. Analisi della dipendenza lineare di dati sperimentali in un grafico: y=A+Bx. Valutazione dei coefficienti A e B della retta, e della loro incertezza. Minimi quadrati pesati. f. Covarianza e correlazione. Nuove considerazioni sulla propagazione degli errori. Il coefficiente di correlazione lineare r di Pearson. g. La distribuzione binomiale. Definizione e proprietà. Esempi. h. La distribuzione di Poisson. Definizione e proprietà. Esempi. i. Il test del chi2 per una distribuzione. Definizione generale del chi2 . Gradi di libertà e chi2 ridotto. La probabilità per il chi2 INTRODUZIONE ALLA SPERIMENTAZIONE DELLA FISICA CLASSICA: MECCANICA, TERMODINAMICA. Utilizzo della relativa strumentazione e metodologia di misura. Una serie di esperimenti condotti in laboratorio addestreranno lo studente all’utilizzo della strumentazione e delle tecniche illustrate nelle lezioni, e alla elaborazione di una relazione di quanto ottenuto durante l’esperimento svolto.
Limiti e calcolo differenziale per funzioni di più variabili reali. Funzioni definite implicitamente. Integrali curvilinei e forme differenziali Integrali multipli
ARGOMENTI 1. LA FISICA SPERIMENTALE ED IL METODO SCIENTIFICO: Unità di Misura e Dimensioni, Errori di una misura e loro propagazione, i Grafici 2. MECCANICA (STATICA, DINAMICA) 3. TERMOLOGIA 4. I FLUIDI 5. LE ONDE: Ottica geometrica 6. LE ONDE: Ottica Fisica 7. LE ONDE: Acustica 8. ELETTROSTATICA E MAGNETOSTATICA 9. ELETTROMAGNETISMO 10. FISICA MODERNA A conclusione del corso una lezione sarà dedicata ai grandi exhibit e all’attività museale e divulgativa come possibile strumento didattico.
Il corso prevede: Lezioni frontali su argomenti specifici (es. leggi del moto, energia, tempo, elettromagnetismo, ottica, relatività ristretta, quantizzazione dell’energia,..) al fine di evidenziarne i nuclei fondanti, i nodi concettuali ed i problemi di apprendimento, prevalentemente legati al superamento del senso comune (fisica ingenua) ed alla formazione di schemi di conoscenza. Attività di laboratorio, sugli argomenti declinati durante le lezioni frontali, di supporto allo sviluppo di metodologie didattiche che permettano ai futuri studenti di accrescere la propria capacità in ambito di: valutazione dei modelli teorici, leggi di inferenza, visualizzazione e valutazione dei risultati sperimentali. Richiami di storia della scienza come strumento didattico e sviluppo del pensieri scientifico.
Solidi cristallini. Indici di Miller. Reticoli di Bravais. Strutture dei metalli (bcc, fcc, hcp). Solidi ionici. Difetti puntuali. Conduttori ionici. Difetti estesi. Proprietà meccaniche dei materiali. Comportamento a frattura. Tenacità. Teoria di Griffith. Comportamento a fatica. Scorrimento viscoso. Indurimento per soluzione solida. Indurimento per precipitazione. Incrudimento. Proprietà meccaniche dei materiali ceramici. Statistica di Weibull. Processi di sinterizzazione: principi fondamentali. Equazione di Laplace. Stadi della sinterizzazione. Evoluzione della microstruttura. Tecniche di misura del grado di avanzamento della sinterizzazione. Additivi di sinterizzazione: principi di funzionamento. Sinterizzazione con fase liquida. Diagramma di German. Sinterizzazione assistita da pressione; pressatura isostatica a caldo. Case studies: sinterizzazione di cermets (WC-Co); processing e proprietà di materiali ceramici per celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC).
Richiami di nozioni di base di chimica generale ed organica in riferimento alla chimica del carbonio in composti organici e sistemi coniugati. Analisi molecolare mediante tecniche spettroscopiche di materiali organici coniugati. Nozioni base di spettroscopia di risonanza di spin elettronico. Complessi con leganti p donatori ed a trasferimento di carica: formazione del legame e proprietà ottiche e magnetiche. Differenze tra semiconduttori organici e inorganici. Portatori di carica e meccanismi di trasporto di carica di solidi molecolari a base di “small molecules” e polimeri conduttori: modello a bande, modello a hopping e modello MTR. Mobilità nei semiconduttori organici: effetto della morfologia e della temperatura. Esempi di materiali organici usati nell’ elettronica molecolare. Metodologie di sintesi, deposizione, caratterizzazione e processing di materiali molecolari per dispositivi elettronici ed optoelettronici. Proprietà funzionali dei materiali costituenti OLED, OTFT e celle solari. Nozioni di base di sistemi utilizzati per dispositivi a scala molecolare.
Carica elettrica, campi e potenziali; lavoro e energia elettrostatica, sistemi di conduttori, capacità; cenni sull’elettrostatica nei dielettrici. Corrente elettrica, fenomeni di conduzione e legge di Ohm; leggi di Kirchoff. Forza di Lorentz, campo magnetico nel vuoto, formule di Laplace, teorema di Ampère, Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo: induzione elettromagnetica, legge di Faraday-Neumann, corrente di spostamento. Cenni sulle proprietà magnetiche della materia. Moto di particelle cariche in campi elettrici e magnetici. Equazioni di maxwell. Fenomeni ondulatori: propagazione delle onde, equazione d’onda. Onde elettromagnetiche, vettore di Poynting. La luce.
Corrente continua, considerazioni generali. Generatori ideali di tensione e corrente. Cenni di teoria dei circuiti in corrente continua Legge di Ohm Principi di Kirchhoff Teorema di sovrapposizione Circuiti equivalenti Teoremi di Thevenin e Norton Trasferimento di potenza da un generatore ad un carico Elementi reali di circuito elettrico Generatori reali Misure di intensità di corrente e di tensione elettrica. L’amperometro e il voltmetro. Misure di resistenza con amperometro e voltmetro. Il ponte di Wheatstone. Reti elettriche in regime sinusoidale, generalità. Rappresentazione simbolica di una grandezza sinusoidale: derivata e integrale. Relazione tra tensione e corrente in corrente alternata. Elementi passivi ideali. Principi di Kirchhoff in AC. Impedenza e impedenza equivalente in una rete passiva. Risoluzioni di circuiti. Funzione di trasferimento (attenuazione) di una rete passiva. Circuiti RC, CR, LR, RL. Filtri passa-alto e passa-basso. Circuiti passabanda passivi RCCR Circuiti derivatori e integratori in regime sinusoidale e con ingresso di tipo particolare. Circuito oscillante RLC e parallelo con l’oscillatore armonico forzato. Linea di trasmissione e impedenza di una rete infinita. Principi di Huygens e di Fermat Legge di Snell, riflessione totale. Il prisma e il potere dispersivo. La polarizzazione. Riflessione e rifrazione di luce polarizzata. L’angolo di Brewster. Interferenza prodotta da due fenditure. Esperienza di Young. Diffrazione da una fenditura e reticolo di diffrazione.
Termodinamica. Reversibilitá ed irreversibilitá. Variabili e funzioni di stato termodinamiche. Energia Libera di Helmholtz. Energia Libera di Gibbs. Potenziale chimico. Transizioni di fase. Diagrammi di fase. Sistemi a più componenti. Soluzioni ideali, regolari, reali. Lacune di miscibilitá. Solubilitá. Proprietá colligative. Diagrammi di fase a piú componenti. Eutettico. Reazioni chimiche in fase gassosa. Condizione di equilibrio. Costante di equilibrio. Dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura. Soluzioni elettrolitiche. Legge limite di Debye-Huckel. Celle elettrochimiche. Celle galvaniche. Equazione di Nernst. Potenziali standard. Serie elettrochimica. Cinetica chimica. Legge cinetica. Ordini parziali di reazione. Cinetiche di reazioni elementari e complesse. Stadio lento di reazione. Teoria di Arrhenius. Cenni di spettroscopia.
Cenni alla struttura dei semiconduttori. Transistor a giunzione: principali configurazioni e loro caratteristiche, transistor a basse frequenze, modello ibrido. Amplificatori, amplificatori operazionali e loro applicazioni: filtri attivi e circuiti di utilizzo generale. Rumore in elettronica; tecniche di riduzione del rumore. Esercitazioni di laboratorio.
Meccanica Analitica: Equazioni di Lagrange e di Hamilton. Meccanica Quantistica: Crisi della fisica classica. Introduzione ai Postulati della Meccanica Quantistica tramite la descrizione di esperimenti con singoli fotoni ed esperimenti con il polaroid. Postulati della Meccanica Quantistica, principio di sovrapposizione, osservabili, probabilità di transizione, operatori associati alle osservabili, valori medi, osservabili compatibili, relazione di indeterminazione, postulato di quantizzazione. Oscillatore armonico, operatori di creazione e distruzione, livelli di energia. Teoria delle rappresentazioni, rappresentazione di Schroedinger. L'equazione di Schrödinger per sistemi unidimensionali, la particella libera, l'oscillatore armonico, buche e barriere di potenziale. Effetto tunnel. Evoluzione temporale. Il momento angolare e le regole di commutazione. Il momento angolare orbitale ed armoniche sferiche. Spin e composizione di momenti angolari. Particella in campo centrale, livelli energetici degli atomi idrogenoidi e autofunzioni. Teoria delle Perturbazioni indipendente dal tempo, caso degenere e non, e teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Meccanica Statistica: Basi statistiche della termodinamica e teoria degli ensemble.
Storia del C. I fondamenti del linguaggio C. I tipi di dati. I dati scalar. Il controllo di flusso con “if” e “while”. Il controllo di flusso con “switch” e “for”. Operatori. Array, ordinamento. Numeri casuali. Direttiva define. Funzioni. Puntatori, stringhe. Input/output
Introduzione ai polimeri. Polimerizzazione a stadi. Polimerizzazione a catena. Aspetti cinetici e probabilistici. Tecnologie di polimerizzazione. Polidispersità. Medie dei pesi molecolari. Distribuzione numerale e ponderale. Polimeri vinilici. Tatticità. Dimensioni medie di una catena disordinata. Catena Gaussiana. Catena semiflessibile. Lunghezza di persistenza. Catena equivalente e lunghezza di Kuhn. Raggio di girazione. Termodinamica delle soluzioni polimeriche. Teoria di Flory – Huggins. Condizioni Theta. Metodi di frazionamento in termini di peso molecolare: Precipitazione frazionata. Cromatografia a permeazione di gel (aspetti termodinamici). Soluzioni polimeriche diluite. Proprietà colligative: Pressione osmotica. Coefficiente del virale. Viscosità. Proprietà meccaniche di polimeri e cenni di teoria dell’elasticità.
Fisica Atomica: Interazione fine nell’atomo di idrogeno (equazione di Pauli); Atomo idrogenoide in campi (campo magnetico forte, medio e debole; campo elettrico polarizzabilità); Interazione dell’atomo di idrogeno con la radiazione elettromagnetica (transizioni elettroniche e regole di selezione di dipolo); atomo a due elettroni (trattazione perturbativa e variazionale dello stato fondamentale e perturbativa degli stati eccitati); Atomi a molti elettroni (multipletti), Approssimazione di Campo Centrale, Modello di Hatree-Fock.Fisica Molecolare: Approssimazione di Born-Oppenheimer; Ione idrogeno (LCAO); molecola H2 (LCAO e VB); Interazione delle configurazioni e termine ionico nell’hamiltoniano; Modello di Huckel; Moto dei nuclei (vibrazioni e rotazioni); Principio di Franck-Condon. Esercitazioni numeriche riguardanti sia la fisica atomica, sia la fisica molecolare.
Reticoli cristallini. Diffrazione dei raggi X e determinazione delle strutture cristalline. Calore specifico dei solidi. Espansione termica. Compressibilità. Equazione di stato. Coesione dei solidi ionici, dei metalli e dei cristalli di gas nobili. Stabilità delle strutture di: NaCl, CsCl e ZnS. Termodinamica dei difetti di punto. Equilibri tra difetti e reazioni gas-solido. Ossidi semiconduttori. Trasporto di materia nei solidi. Leggi di Fick. Il “random walk”. Equazioni di trasporto generalizzate. Coefficiente di diffusione chimico. Equazione di Nernst-Einstein. Sensori elettrochimici a stato solido. Ossidazione dei metalli, diagramma di Ellingham. Cinetica di ossidazione dei metalli. Teoria di Wagner. Tecniche per la caratterizzazione dei solidi: XPS (Xray Photoelectron Spectroscopy) AUGER, RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), ISS (Ion scattering Spectroscopy), RAMAN Spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscopy).
I modelli ad elettroni liberi per il trasporto nei solidi: i modelli di Drude e di London. Effetto pelle ed effetto pelle anomalo. La profondità di penetrazione magnetica nelle equazioni per il conduttore perfetto. Effetto Hall ed effetto Hall quantistico. Elettroni in potenziali periodici, il calore specifico elettronico del gas di elettroni liberi. Lo spettro fononico nei solidi ed il calcolo del calore specifico reticolare. Interazione elettrone-reticolo. Le coppie di Cooper e la teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) della superconduttività. Lo stato fondamentale BCS, il gap superconduttivo e la densità di stati BCS. Quasi particelle. La teoria di Landau-Ginsburg e le proprietà magnetiche dei superconduttori. L’energia di condensazione superconduttiva, i domini di Landau ed il problema dell’energia delle interfacce superconduttore-normale nello stato intermedio. I vortici di Abrikosov. Il tunnelling superconduttivo e l’effetto Josephson (superconduttività debole). La Macroscopic Quantum Coherence, i quantum-bits (qubits) a stato solido ed il quantum computing.
Parte teorica Introduzione. Tecniche analitiche. Sensibilità, limite di rilevabilità, segnale/rumore. Metodi di analisi spettrofotometrici Tecniche spettroscopiche. Analisi spettrofotometrica di assorbimento. Titolazioni spettrofotometriche. Spettrofotometri UV-visibile. ELISA. Fluorescenza. Spettrofluorimetri. Strumentazione. Metodi elettrochimica Amperometria, voltammetria, polarografia. Principi e metodi. Equazione di Cottrell. ASV e sue applicazioni. Cronoamperometria. Potenziometria e elettrodi iono-selettivi. Metodi di analisi cromatografica Principi della cromatografia. Allargamento di banda ed efficienza della colonna cromatografica. Analisi qualitative e quantitative. Gascromatografia e relativa strumentazione. Cromatografia liquida ad alte prestazioni. Strumentazione per la cromatografia liquida. Parte di laboratorio Esperienza di spettrofotometria di assorbimento UV-visibile: determinazione dei nitriti nelle acque. Utilizzo della tecnica ELISA. Esperienza di fluorescenza: determinazione di una sequenza specifica di DNA. Elettrochimica: determinazione di ioni Pb2+ con ASV. Esperienza di HPLC: determinazione del contenuto di caffeina in diversi campioni.
Ciclo dei materiali. Le forze di coesione. Stato solido, condensazione della materia, cristalli. Vetri e varie altre aggregazioni dello stato condensato. Diffrazione di raggi X. Struttura molecolare dei polimeri organici. Deformazione di un cristallo perfetto, deformazione elastica della gomma. Difetti puntiformi, dislocazioni, bordi di grano. Leghe e diagrammi di fase. Soluzioni solide. Interfacce tra le fasi. Diagrammi di stato per composti miscelati. Leghe metalliche, leghe ceramiche, copolimeri. Proprietà meccaniche. Resistenza dei materiali. Sforzo e deformazioni, energia di deformazione ed effetto anelastico. Deformazione plastica dei materiali a bassa temperatura: trazione e taglio. Conducibilità termica, Conducibilità elettrica: semiconduttori, metalli e superconduttori.
