Obiettivi Formativi

Il corso si propone di fornire un inquadramento sistematico dello stato dell’arte dei nanomateriali per quanto attiene le tecnologie di sintesi (bottom-up and top-down), produzione e proprietà, dando enfasi alle peculiarità di comportamento che derivano al materiale dalla nanostrutturazione. Il corso si propone di fornire allo studente un quadro significativo della chimica supramolecolare attraverso la presentazione, sotto forma di casi di studio, di alcune molecole utilizzate in questo settore della chimica.

Learning Goals

The course aims to provide systematic knowledge of the state of art nanomaterials, focusing on the synthetic methodologies (bottom-up and top-down), manufacturing and properties, with a special emphasis to peculiar behavior raising from the nanoscale  The course aims to provide the student with a significant knowledge of supramolecular chemistry through the presentation, in the form of case studies, of some molecules used in this sector of chemistry.

Metodi didattici

Lezioni frontali con l’ausilio di materiale informatico. Esperienze di laboratorio.

Teaching Methods

Lectures with the help of PC equipment supplied by the teacher. Laboratory experiences.

Prerequisiti

Lo studente deve avere conoscenza di base di chimica inorganica, organica e di chimica fisica.

Prerequisites

The student must have basic knowledge of inorganic, physical and organic chemistry.

Verifiche dell'apprendimento

La valutazione dell'apprendimento consisterà in un esame orale integrato sui contenuti dei corsi di "Materiali nanostrutturati” e “Chimica dei materiali supramolecolari”. Allo studente verrà richiesto di selezionare e commentare un recente articolo nel campo della Chimica dei Materiali Supramolecolari tratto da una rivista internazionale di elevato impatto. La discussione include quesiti correlati agli argomenti presentati nel corso delle lezioni.

Assessment

The overall evaluation will be based on an integrated examinations on the topics of the courses “Nanostructured Materials” and “Chemistry of Supramolecular Materials”. The student will present and comment a recent article in the area of Supramolecular Materials selected from a high-impact international journal. The discussion will cover also topics dealt with during the lectures.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000537 - CHIMICA DEI MATERIALI SUPRAMOLECOLARI ------------------------------------------------------------ Definizione e sviluppo della Chimica Supramolecolare dei Materiali: un breve quadro storico. Classificazione dei composti organici che sono più diffusamente impiegati nella realizzazione di materiali e sistemi supramolecolari. Interazioni supramolecolari. Metodi per la determinazione di costanti di associazione. Principali classi di recettori sintetici. Eteri corona. Podandi. Sperandi. Effetto macrociclico: selettività e forza complessante. Calixareni. Leganti supramolecolari per anioni. Recettori molecolari per molecole neutre. Catenani. Rotaxani. Ciclodestrine. Dendrimeri. Polimeri supramolecolari e self-assembly. Materiali supramolecolari avanzati (logic gates, superfici funzionali, sensing devices). ------------------------------------------------------------ Modulo: 4202 - MATERIALI NANOSTRUTTURATI ------------------------------------------------------------ Classificazione dei materiali. Classificazione dei materiali nanostrutturati, dimensionalità dei nanomateriali (nanoparticles, quantum -dots, -well, -wire). Proprietà derivanti dalle dimensioni (punto di fusione, risonanza plasmonica di superficie), proprietà di superficie (effetto loto, etc), proprietà derivanti da confinamento quantico (eccitone di Bohr, super -elasticità, -conducibilità, -magnetismo. Effetto tunnel. Tecniche di caratterizzazione. Approccio top-down e bottom-up di sintesi dei nanomateriali. Polimeri nanostrutturati. Programma: Classificazione dei materiali. Classificazione dei materiali nanostrutturati, dimensionalità dei nanomateriali (nanoparticles, quantum -dots, -well, -wire). Proprietà derivanti dalle dimensioni (punto di fusione, risonanza plasmonica di superficie), proprietà di superficie (effetto loto, etc), proprietà derivanti da confinamento quantico (eccitone di Bohr, super -elasticità, -conducibilità, -magnetismo. Effetto tunnel. Tecniche di caratterizzazione. Approccio top-down e bottom-up di sintesi dei nanomateriali. Polimeri nanostrutturati. Introduzione: Introduzione ai materiali. Classi di materiali (metallici, elementali, ceramici, etc.). I nanomateriali: una breve storia. Definizione di Nanoscienza, nanotecnologie e nanostrutture. I nanomateriali in natura (effetto foglie di loto, zampe di gechi, etc.).I nanomateriali e le loro applicazioni. Rischi e benefici derivanti dai nanomateriali. Caratteristiche dei materiali nanostrutturati. Proprietà chimico fisiche dei nanomateriali e confronto con le proprietà (ottiche, termiche, meccaniche, elettriche, etc.) dei materiali in bulk e delle molecole. Esempi. Ia Parte: Approcci generali di sintesi: Approccio fisico “top down”(fotolitografia, metodi meccanici, etc.). Approccio chimico “bottom up”: “molecular autoassembling”, “atomic assembling”. Approccio termodinamico e cinetico. IIa Parte: Caratterizzazione dei materiali nanostrutturati. Microscopia a sonda (AFM, STM, SNOM). Microscopia ottica ed elettronica (TEM, SEM, etc.). Spettroscopia acustica. Diffrazione ai raggi X (XPS, EXAFS, etc). Diffusione dinamica della luce (DLS). Porosimetri etc. IIIa Parte: Tipologie, sintesi, proprietà dei nanomateriali:O-, 1-, B- nano-dimensionali Metallici, ceramici, “quantum dots”, ibridi organici/inorganici, meso e microstrutturati. (sintesi sol-gel, condensazione da gas, termolisi, fotolisi, dispersione su supporti, decomposizione di precursori metallici, metodo delle micelle inverse, processi hydrothermal, sintesi templata, etc.) Film mono- e multi-strati. Tecniche di self-assembly (SAM), electrostatic self-assembly (ESA), spin coating e Langmuir-Blodgett Elementali: carbon nanotubes. graphene etc. (Ablazione laser, CVD, Radio Frequency Magnetron sputtering, Scarica ad arco in vuoto (He, Ar), Scarica ad arco in liquido (H2O, N2, etc.) Aspetti applicativi (Celle solari, MEMs, chemosensori, drug delivery, macchine molecolari, etc.) IVa Parte. Esperienze di laboratorio: sintesi (via sol-gel chemistry) e caratterizazione di TiO2 N-dopata e SiO2 (metodo delle micelle inverse).

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000537 - CHIMICA DEI MATERIALI SUPRAMOLECOLARI ------------------------------------------------------------ Definition and development of the chemistry: of supramolecular materials a brief history. Classification of supramolecular hosts and guests that are widely used for the assembly/construction of Supramolecular materials. Supramolecular interactions. Methods for the determination of binding constants. Main classes of synthetic molecular receptors used for the construction of supramolecular materials. Crown Ethers. Podands. Sferands. The macrocyclic effect: binding strength and selectivity. Template effect in the synthesis of macrocycles. Calixarenes. Supramolecular ligands for anions. Synthetic molecular receptors for neutral molecules. Catenanes and Rotaxanes. Cyclodextrins. Dendrimers. Supramolecular polymers. Advanced supramolecular materials (logic gates, functionalised surfaces, sensing devices). ------------------------------------------------------------ Modulo: 4202 - MATERIALI NANOSTRUTTURATI ------------------------------------------------------------ Classification of materials. Classification of nanostructured materials, dimensionality of nanomaterials (quantum-dots, -well, -wire). Properties deriving from dimensions (surface plasmon resonance, melting point), surface properties (lotus effect, etc), properties deriving from quantum confinement (Exciton of Bohr and Bohr exiciton radius, super-elasticity, -conductivity, -magnetism. Tunnel effect. Quantum capacitors. Characterization techniques. Top-down and bottom-up approach of synthesis of nanomaterials. Nanostructured polymers. Programma: ¬Introduction to nanomaterials. Characteristics of nanostructured materials. Structural and physico-chemical properties of nanomaterials and comparison with those (optical, thermal, mechanical, electrical, etc.) of bulk materials and molecules. Examples. Ia Section. General approaches to synthesis: Physical approach: "top down" (photolithography, mechanical methods, etc.; Chemical approach: "bottom up": "molecular autoassembling", "atomic assembling." Thermodynamic and kinetic approach. IIa Section: Characterization of nanostructured materials. Probe microscopy (AFM, STM, SNOM). Optical and electron microscopy (TEM, SEM, etc.). Acoustic spectroscopy. X-ray diffraction (XPS, EXAFS, etc). Dynamic light scattering (DLS). Porosimetry etc. IIIa Section: Classes, synthesis and properties of nanomaterials: 0-, 1-, 2-dimensionals nanomaterials.Metallic, ceramic, "quantum dots", hybrid organic / inorganic, meso and micro-structured (sol-gel synthesis, condensing gas, thermolysis, photolysis, scattering from solvated species, dispersion media, co-precipitation, decomposition of metal precursors, the method of reverse micelles, hydrothermal processes, synthesis templata, etc.). Film mono-and multi-layers. Techniques of self-assembly (SAM), electrostatic self-assembly (ESA), spin coating and Langmuir-Blodgett (LB). Elemental: carbon nanotubes, graphene etc. (Laser ablation, CVD, Radio Frequency Magnetron sputtering, vacuum arc deposition (He, Ar), arc deposition in liquid (H2O, N2, etc.) Applications (solar cells, MEMs, chemosensors, drug delivery, molecular machines, etc.). IVa Section. Laboratory experiments: Synthesis (via sol-gel chemistry) e caratterizzazione di N-doped TiO2 e SiO2 (via inverse micelle methods).