Insegnamento MATERIALI INORGANICI: SINTESI, STRUTTURA E PROPRIETA'

Nome del corso	Scienze chimiche
Codice insegnamento	A001115
Curriculum	Chimica inorganica per l'energia e la catalisi
Docente responsabile	Ferdinando Costantino
Docenti	Ferdinando Costantino
Ore	59 ore - Ferdinando Costantino
CFU	7
Regolamento	Coorte 2024
Erogato	Erogato nel 2024/25
Erogato altro regolamento
Attività	Caratterizzante
Ambito	Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Settore	CHIM/03
Tipo insegnamento	Obbligatorio (Required)
Tipo attività	Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento	ITALIANO
Contenuti	Sintesi dei materiali: processi sol-gel e solvotermici, crescita di cristalli, formazione dei vetri, deposizione chimica da fase vapore, processo aerosol. Reattività: reazioni solido-solido, sinterizzazione, processi di intercalazione. Solidi a strati: argille, idrotalciti, fosfati e fosfonati dei metalli tetravalenti. Solidi micro-, meso- e macro-porosi. Compositi polimerici. Tecniche di caratterizzazione dei materiali: analisi termica, studi diffrattometrici, adsorbimento di gas, misure ottiche.
Testi di riferimento	A.R. West, "Solid State Chemistry and its applications", J. Wiley U. Schubert, N. Hüsing, "Synthesis of Inorganic Materials", Wiley-VCH
Obiettivi formativi	Principali conoscenze acquisite - Caratteristiche principali dei processi sol-gel. - Applicazione del processo sol-gel nella fabbricazione di materiali ibridi. - Meccanismo di nucleazione e crescita dei cristalli. - Sintesi e crescita dei cristalli mediante processi solvotermici. - Processo di formazione dei vetri e principatipologie di vetro. - Caratteristiche e impieghi dei processi di formazione dei solidi da fase vapore. - Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi a strati. - Principali caratteristiche del processo di intercalazione nei solidi a strati. - Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi microporosi, mesoporosi e macroporosi. - Principali caratteristiche dei materiali compositi: micro- e nano-compositi. - Nozioni di base sulle tecniche per la caratterizzazione delle proprietà termiche, meccaniche ed elettriche dei materiali. Principali abilità - Previsione qualitativa della morfologia dei materiali ottenuti via sol-gel sulla base delle condizioni di sintesi. - Previsione della morfologia di cristalli ottenuti da fasi liquide (soluzioni o fusi). - Progettazione della sintesi di materiali ibridi mediante il processo sol-gel. - Progettazione della sintesi di solidi cristallini in condizioni idrotermali. - Impiego del trasporto in fase vapore per la purificazione dei materiali o la crescita di cristalli. - Valutazione del tipo di reattore ai fini della formazione di solidi da fase vapore. - Impiego di tecniche TGA e DSC per la caratterizzazione termochimica dei materiali - Impiego di tests stress – strain per la caratterizzazione meccanica dei materiali. - Valutazione qualitativa dei meccanismi di scambio ionico/intercalazione mediante diffrattometria a raggi X.
Prerequisiti	Si richiede di aver conseguito una laurea triennale in Scienze Chimiche.
Metodi didattici	Il corso consiste in 35 ore di lezioni in aula. Per circa la metà degli argomenti trattati sono a disposizione dispense a cura del docente. Il corso prevede anche 24 ore di esercitazioni in laboratorio, incentrate sulla sintesi di composti crsitallini porosi e nanocompositi a base di fillers inorganici e sulla loro caratterizzazione mediante diffrazione a raggi X, TGA e assorbimento di gas.
Altre informazioni	Aula: biblioteca del Laboratorio di Chimica dei Materiali, Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie (edificio B).
Modalità di verifica dell'apprendimento	Il corso prevede un esame orale che consiste in una discussione di circa trenta minuti di alcuni degli argomenti trattati nel corso (formazione di solidi da fase gas, da soluzioni e da fusi, reattività dei solidi, solidi lamellari, solidi micro-, meso- e macro-porosi, tecniche di caratterizzazione dei materiali). Il primo argomento della discussione è scelto dallo studente. La prova ha lo scopo di valutare sia la conoscenza degli argomenti del programma, sia la capacità di esposizione e di elaborazione delle conoscenze acquisite. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso	Definizione di materiale. FORMAZIONE DI SOLIDI DA FASI LIQUIDE Processi sol-gel. Definizione di sol, di gel e di processo sol-gel. Xerogels e aerogels. Fattori sterici ed elettrostatici che influenzano la stabilità di un sol. Reazioni sol-gel degli alcossi silani: idrolisi e condensazione catalizzate da acidi e basi. Invecchiamento ed essiccamento dei gels: super crytical drying. Processo sol-gel per la sintesi degli ossidi metallici. Precursori inorganici: reazioni di olazione ed ossolazione. Precursori alcossidi: reattività in funzione delle dimensioni e dell'elettronegatività del metallo e del grado di oligomerizzazione dell’alcossido. Materiali ibridi inorgano-organici. Materiali ottenuti per intrappolamento di molecole organiche in un gel. Materiali ottenuti per funzionalizzazione di un gel con molecole organiche legate covalentemente. Polimeri ibridi inorgano-organici. Vetri. Definizione di vetro. Fattori che influenzano la formazione di un vetro. Formazione di vetri e cristallizzazione: velocità di nucleazione e crescita dei cristalli in funzione della temperatura; curve TTT. Caratteristiche della silice vetrosa; vetri a base di silicati e di borati; vetri commerciali: pyrex e vycor; vetri a base di calcogeni; vetri ceramici; vetri metallici. Precipitazione. Caratteristiche del precipitato in relazione alla velocità di formazione dei nuclei e alla velocità di crescita dei cristalli. Formazione di precipitati per idrolisi forzata e per decomposizione di complessi di ioni metallici. Precipitazione controllata a doppio getto. Processi solvotermici; sintesi idrotermali, crescita idrotermale di cristalli singoli. FORMAZIONE DI SOLIDI DA GAS Trasporto in fase vapore e sue applicazioni. Deposizione chimica da fase vapore (CVD): definizione, generalità e applicazioni. Velocità di crescita dei films. Reattori a pareti calde e fredde. CVD per la deposizione di alluminio, silice e diamante. Tecniche di tipo CVD: plasma enhanced CVD, laser assisted CVD, atomic layer deposition. Processi non-CVD: deposizione fisica da fase vapore (PVD), molecular beam epitaxy. Generalità dei processi aerosol. Coversione gas-particella, morfologia delle particelle e degli aggregati, processo Aerosil. Coversione particella-particella, morfologia delle particelle. Tipi di reattori per il processo aerosol: fiamma, fornace, laser, plasma. Formazione di films mediante il processo aerosol. REATTIVITÀ DEI SOLIDI Reazioni solido-solido controllate dalla diffusione dei reagenti; reazioni solido-solido controllate dalla formazione dei nuclei. Processi di sinterizzazione. Reazioni di intercalazione. Intercalazione nei materiali a strati. Tipi di intercalazione: diretta, elettrointercalazione, intercalazione di polimeri, pillaring di composti a strati. Intercalazione diretta: basi di Lewis nel fosfato di zirconio, alogeni e metalli nella grafite, metalli alcalini nei disolfuri dei metalli di transizione. Grafene e nano tubi di carbonio. Elettrointercalazione: intercalazione - deintercalazione di Li nelle batterie al litio. Intercalazione di polimeri ed oligomeri. Pillaring di composti a strati: intercalazione dello ione Keggin; composti pillared derivanti dalla funzionalizzazione degli strati del fosfato di zirconio; uso di composti pillared nella catalisi selettiva di forma. ESEMPI DI CLASSI DI MATERIALI INORGANICI Classificazione dei silicati. Alluminosilicati a strati: caratteristiche strutturali, sostituzione isomorfa di Si(IV) con Al(III) e di Al(III) con Mg(II) e di Mg(II) con Li(I). Argille: rigonfiamento ed esfoliazione. Argille anioniche. Allumino silicati tridimensionali: feldspati e zeoliti. Caratteristiche strutturali delle zeoliti, proprietà di scambio ionico e catalitiche in relazione al rapporto Si/Al; impiego delle zeoliti nella catalisi selettiva di forma. Solidi micro-porosi, meso-porosi e macro-porosi. Materiali compositi: micro- e nano-compositi. Interazioni filler-matrice. Approcci sintetici per la preparazione di nano compositi polimerici. TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHIMICO FISICA Analisi termica: termogravimetria, analisi termica differenziale, calorimetria differenziale a scansione. Test meccanici di tipo sforzo- deformazione: comportamento elastico, viscoso e viscoelastico. Modulo elastico, sforzo di snervamento, sforzo di rottura. Meccanismi di deformazione dei polimeri amorfi. Determinazione dell’area superficiale dei solidi mediante adsorbimento di gas. Isoterma di Langmuir. Modello BET e isoterme BET. Tipi di isoterme di adsorbimento. Isteresi e condensazione capillare. Tecniche per la misura della conducibilità elettrica. Misure a due e quattro elettrodi. Misure in corrente continua e in corrente alternata. Impedenza e spettroscopia di impedenza. Applicazione della spettroscopia di impedenza allo studio dei sistemi policristallini.