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  1. Science
  2. Master Degree
  3. Scienze e Tecnologie Chimiche [F5402Q - F5401Q]
  4. Courses
  5. A.A. 2021-2022
  6. 2nd year
  1. Chemistry of Molecular Materials
  2. Summary
Insegnamento Course full name
Chemistry of Molecular Materials
Course ID number
2122-2-F5401Q051
Course summary SYLLABUS

Course Syllabus

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Obiettivi

obiettivi generali

 

I materiali molecolari stanno rapidamente guadagnando terreno, sia in termini di ricerca scientifica, sia di applicazioni tecnologiche.

Obiettivo del corso è quello di fornire una conoscenza dettagliata delle relazioni delle proprietà della struttura che governano

il comportamento di tali materiali, con particolare attenzione alle proprietà elettroniche, ottiche e optoelettroniche.

 

Conoscenza e comprensione

 

Alla fine del corso lo studente:

 

1) Comprende il concetto di coniugazione in materiali organici e correla l'estensione della coniugazione con proprietà ottiche, elettriche e optoelettroniche

2) Comprende il concetto di legame non covalente ed è in grado di comprendere la sua influenza nello stato di aggregazione di molecole e polimeri allo stato solido e in soluzione

3) È in grado di distinguere tra residui donatori ed accettori di elettroni in molecole organiche. Può ragionare sulla loro influenza sulle proprietà elettriche, ottiche e optoelettroniche.

4) È in grado di progettare materiali coniugati organici per uno scopo specifico, in base a una serie di condizioni che definiscono il comportamento richiesto

 

Conoscenze e capacità di comprensione:

 

Lo studente:

 

1) Conosce i principi di funzionamento di base dei modulatori elettro / ottici organici, transistor a film sottile, dispositivi elettrocromici, celle solari, oleds, concentratori solari luminescenti, fotorivelatori. Sulla base di tale conoscenza, lo studente è in grado di proporre strategie per migliorarne le prestazioni.

2) Conosce il principio di funzionamento dei fotoresists organici e può applicare il concetto nelle più documentate applicazioni industriali e di ricerca degli stessi

3) È in grado di raccogliere in modo indipendente informazioni aggiuntive su uno qualsiasi degli argomenti descritti durante le lezioni.

4) Conosce e valuta in modo appropriato la letteratura del campo.

5) Comprende il processo di revisione tra pari ed è in grado di fornire una relazione nello spirito di revisione tra pari

 

autonomia di giudizio

Data la struttura di una molecola o di un polimero coniugati, lo studente è in grado di stimare qualitativamente le corrispondenti proprietà ottiche, elettriche e optoelettroniche. All'opposto, data una certa funzione che una data molecola organica deve svolgere, lo studente può proporre derivati ​​organici noti in letteratura e originali in grado di eseguirla. Lo studente è anche in grado di stimare l'influenza dell'ambiente sulle proprietà di molecole isolate ed aggregate.

 

Abilità comunicative.

 

Lo studente è formato nella lettura, comprensione e sintesi della letteratura scientifica. Particolare enfasi è data alla capacità di fornire informazioni concise e complete. Lo studente possiede la terminologia specifica del campo, quindi è nella posizione di discutere con le controparti che possiedono un background sia chimico sia fisico / ingegneristico. Possiede un atteggiamento di "problem solving".

 

Capacità di apprendimento.

 

Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in grado di gestire autonomamente la vasta letteratura dedicata ai materiali coniugati. Conosce gli strumenti di ricerca della letteratura dedicata, inclusi i brevetti.


Contenuti sintetici

Interazioni non covalenti, aggregati e solidi molecolari: dipolo-dipolo, ion-dipolo, legame idrogeno, legame coordinativo e interazioni tra pareti. Esempi di interazioni ospite ospitante in soluzione: eteri corona, coronandi, criptandi, calixareni e resorcinareneni, rotaxani e catenani. Materiali per ottica non lineare: background teorico. Materiali molecolari per optoelettronica. Derivati ​​push-pull e modello BLA. Film sottili (polimeri polati e sol-gel, film di Langmuir-Blodgett, superreticoli autoassemblati). Materiali assorbenti a due fotoni e relative applicazioni (laser e imaging, limitazione ottica, microfabbricazione 3D) Sintesi e caratterizzazione di semiconduttori organici. Proprietà di trasporto nei complessi a trasferimento di carica. Polimeri conduttori (poliacetilene, PPV, polieterocicli). Polimerizzazioni elettrochimiche e ossidative. Polimerizzazioni per cross-coupling.

Materiali e dispositivi elettrocromici: criteri di base e di progettazione per materiali molecolari e polimerici. Problemi specifici con l'assemblaggio dei dispositivi. Materiali per display e illuminazione: principio di funzionamento e architettura degli OLED. Materiali polimerici e materiali molecolari. Dispositivi di conversione a stato solido v. Concentratori solari luminescenti. Batterie ricaricabili organiche. Elementi di materiali organici per bioimaging e terapia fotodinamica.


Programma esteso

Il corso è blended e organizzato in attività in classe, videolezioni e attività di lettura guidata


Le lezioni di classe coprono i seguenti argomenti

 

• Elementi di design dei materiali coniugati (elementi costitutivi)

• Elementi di chimica supramolecolare (interazioni non covalenti)

• Molecole e materiali coniugati con comportamento ottico non lineare

• fotoresist

• Semiconduttori e conduttori polimerici organici

• Materiali elettrocromici

• Transistor a effetto di campo organico

• Tecniche di litografia soft

 

Le lezioni video sono dedicate a:

 

• Letteratura scientifica e database

• Collettori solari luminescenti

• Terapia fotodinamica

• Celle solari ad eterogiunzione

• Complessi a trasferimento di carica

• Dispositivi organici ad emissione luminosa

• Origami di DNA

 

Gli studenti sono invitati a prendere parte alle attività di lettura guidata così organizzate:

 

Compito a casa - lettura guidata (su piattaforma in gruppo)

 

• Fornire una relazione tipo revisione tra pari di un documento scientifico condiderato a livello di sottomissione per arbitrato tra pari.

• Il lavoro verrà svolto per 7 articoli differenti

• I report devono essere pubblicato direttamente sulla piattaforma del corso utilizzando l'apposita sezione (consegna compito)

• Le attività sono moderate attraverso un forum. Sono incoraggiate discussioni attive tra compagni di corso su piattaforma.


Prerequisiti

I materiali a base molecolare richiedono un approccio interdisciplinare. Elementi di

•Scienza dei materiali
•Chimica organica
•Chimica inorganica
•Chimica fisica
• Chimica farmaceutica, chimica ambientale, fisica .... (a seconda dell'applicazione)

sono richiesti

Modalità didattica

Il corso è blended e organizzato in attività in classe, videolezioni e attività di lettura guidata. 
Durante l'emergenza Covid tutte le lezioni in classe saranno comunque videoregistrate e rese disponibili immediatamente dopo la lezione.

Materiale didattico

•Jonathan W. Steed, David R. Turner, Karl J. Wallace, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley&Son
•Nanoscale Science and Technology, R.Kelsal, I.Hamley, M.Geoghegan. John Wiley and Sons, Chichester, 2005
•Nanochemistry, G.A Ozin and A.C. Arsenault. Royal Society of Chemistry Publishing, Cambridge 2006.
•Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology (http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/0471238961)
•Annotated slides (on moodle)
•Registration of standard classes (on moodle)
•Video lessons (on moodle)

Periodo di erogazione dell'insegnamento

secondo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

• Esame orale singolo, durante l'emergenza covid l'esame sarà svolto in modalità telematica

 

• Valutazione degli incarichi di letture guidate


durante l'esame lo studente dovrà rispondere a 3 domande generali sugli argomenti discussi sia nella lezione standard che in quella video. Le domande si concentreranno sulla capacità di riorganizzare i concetti discussi nelle lezioni. Gli studenti saranno incoraggiati a ragionare sul possibile uso delle loro nozioni in esempi pratici / applicazioni


Orario di ricevimento


in genere nel pomeriggio tra le 14:30 e le 17:30 ma si suggerisce di prendere appuntamento

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Aims

objectives

 

Molecular materials are rapidly gaining momentum, both in terms of scientific research and technological applications. Aim of the course is to provide a detailed knowledge of the structure properties relationships ruling the behaviour of such materials, with particular emphasis on electronic, optical and optoelectronic properties.

 

Knowledge and understanding

 

At the end of the course the student:

 

1)    Understands the concept of conjugation in organic materials and correlates the extension of conjugation with optical, electrical and optoelectronical properties

2)    Understands the concept of non-covalent bond and is capable of understanding its influence in the solution and solid-state aggregation behavior of organic materials

3)    Can distinguish between electron donating and electron accepting residues in organic molecules. Can reason on their influence on electrical, optical and optoelectronical properties.

4)    Can design organic conjugated materials for a specific purpose, given a series of conditions defining the required behaviour

 

Applying Knowledge and understanding:

 

The student:

 

1)    Knows the basic working principles of organic electro/optic modulators, thin film transistors, electrochromic devices, solar cells, oleds, luminescent solar collectors, photodetectors. Based on such knowledge, the student is capable of proposing strategies to improve the performances of the same.

2)    Knows the working principle of organic photoresists and can apply the concept in most documented industrial and research applications of the same

3)    Is capable of independently gathering additional information on any one of the topics described during classes.

4)    Knows and critically evaluates the literature of the field.

5)    Understands the peer reviewing process and is capable of providing a report in the peer reviewing spirit

 

Making judgments. 

Given the structure of a conjugated molecule or polymer, the student is capable of qualitatively estimating the corresponding optical, electrical and optoelectronical properties. On the other end, given a certain function that an organic molecule is required to perform, the student can propose known and original organic derivatives in principle capable of performing it. The student is also capable of estimating the influence of the environment on the properties of isolated ang aggregated molecules.  

 

Communication skills.

The student is trained in the reading, understanding and summarizing of scientific literature. Particular emphasis is given to the capability of providing concise and complete information. The student possesses the specific terminology of the field, thus being in the position of discussing with counterparts possessing both a chemical and a physical/engineering background. He possesses a “problem solving” attitude.

Learning skills.

The Student is able to extend what has been learned in classes to case studies not covered during the course. He is in particular able to autonomously manage the wide literature dedicated to the conjugated materials. He knows the research tools of the dedicated literature, including patents.


Contents

Non-covalent interactions and molecular aggregates and solids: dipole-dipole, ion-dipole, hydrogen bonding, coordinative bonding and van der walls interactions. Examples of host guest interactions in solution: crown ethers, coronands, criptands, calixarenes and resorcinarenenes, rotaxanes and catenanes. Materials for nonlinearoptics: theoretical background. Molecular Materials for optoelectronics. Push-pull derivatives and BLA model. Bulk materials (poled polymers and sol-gel, Langmuir-Blodgett films, self assembled superlattices). Two-phonton absorbing materials and related applications (up converted lasing and imaging, optical limiting, 3D microfabrication) Synthesis and characterization of organic semiconductors. Transport properties in charge transfer complexes. Conducting polymers (polyacetylene, PPV, polyetherocycles). Electrochemical and oxidative polymerizations. Cross-coupling polymerizations.

Electrochromic materials and devices: background and design criteria for molecular and polymeric materials. Specific issues with devices assembly. Materials for displays and lighting: Working principle and device architecture of OLEDS. Molecular materials polymeric materials. Solid state down converting devices. Luminescent solar concentrators. Organic rechargeable batteries. Elements of organic materials for bioimaging and photodynamic therapy.


Detailed program

The course is blended and organized in class activities, videolessons and guided reading activites


Class lessons covers the following arguments

•Elements of conjugated materials design (building blocks)
•Elements of supramolecular chemistry (non covalent interactions)
•Conjugated molecules and materials having Nonlinear Optical Behavior
•Photoresists
•Organic polymeric semiconductors and conductors
•Electrochromic materials
•Organic Field Effect Transistors
•Soft lithography techniques

Video lessons are dedicated to :

•Scientific literature and databases
•Luminescent solar collectors
•Photodynamic therapy
•Organic bulk heterojunction solar cells
•Charge transfer complexes
•Organic light emitting devices
•DNA origami

Students are inveted to take part to guided readings activites  thus organized:

Homework – guided reading (on platform in groups)

•You will have to provide a referee report for a scientific paper that you assume is not in the final published form but rather at the submitted to the referees step.
•During classes you will have to repeat this exercise for 7 different papers
•Reports are to be posted directly on the course platform using the appropriate section (consegna compito)
•Activities are moderated through a forum. Active discussions amongst fellow student on platform are encouraged.



Prerequisites

Molecular based materials require an interdisciplinary approach. Elements of

•Materials science
•Organic chemistry
•Inorganic chemistry
•Physical chemistry
•Medicinal chemistry, environmental chemistry, physics…. (depending on the application)

are required

Teaching form

The course is blended and organized in class activities, videolessons and guided reading activites.

During the Covid outbrake all classroom lessons will still be videorecorded and made available immediately after class.

Textbook and teaching resource

•Jonathan W. Steed, David R. Turner, Karl J. Wallace, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley&Son
•Nanoscale Science and Technology, R.Kelsal, I.Hamley, M.Geoghegan. John Wiley and Sons, Chichester, 2005
•Nanochemistry, G.A Ozin and A.C. Arsenault. Royal Society of Chemistry Publishing, Cambridge 2006.
•Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology (http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/0471238961)
•Annotated slides (on moodle)
•Registration of standard classes (on moodle)
•Video lessons (on moodle)

Semester

second semester.

Assessment method

•Single oral exam. During the Covid emergency, all exams will be held on a digital platform
•Evaluation of the guided readings assignments


during the exam  the student will have to answer 3 general questions on the topics discussed in both standard and video lesson. Questions will focus on the capability to reorganize the concepts discussed in classes. Students will be encouraged to reason on the possibile use of their notions in practical examples/aplications.

Office hours

generally in the afternoon between 14:30 and 17:30 but visits on appoitment are strongly suggested.

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Key information

Field of research
CHIM/06
ECTS
6
Term
Second semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
42
Language
English

Students' opinion

View previous A.Y. opinion

Bibliography

Find the books for this course in the Library

Enrolment methods

Manual enrolments
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