Course Syllabus
Obiettivi
Scopo del corso è sviluppare una comprensione fondamentale dei nanomateriali, dalle loro proprietà all'ingegnerizzazione. A partire dalla visione di Feynmann, risalente al 1959, e dalla sua famosa affermazione "C'è molto spazio là in fondo ", il corso si concentrerà sulla rilevanza di indagare e utilizzare i nanomateriali nel 21° secolo. Combinando approfondimenti fondamentali sulla fisica e la chimica dei nanomateriali, il corso porterà a definire le regole per la progettazione di materiali funzionali avanzati con proprietà innovative, per sviluppare strategie e dispositivi innovativi. Il corso si concentrerà su materiali artificiali su micro/nanoscala, nonché su materiali naturali (biomateriali) e ispirati alla natura (biomimetici), con particolare attenzione ai materiali intelligenti con speciale bagnabilità. Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere la complessità dei nanomateriali, con una visione critica sia dei potenziali benefici che delle difficoltà legate all'implementazione ingegneristica.
Contenuti sintetici
Il corso tratta i principi di base associati alla nanoscienza e alla nanotecnologia, necessari per comprendere le proprietà dei nanomateriali e come i nanomateriali possono essere progettati e ingegnerizzati. Il corso spazierà dai nanotools (caratterizzazioni e metodi di fabbricazione), alla fisica (proprietà e fenomeni dipendenti dalla dimensione) e alla chimica (sintesi e modifica), nonché alle applicazioni di materiali su scale nanometriche, con particolare attenzione alle recenti scoperte tecnologiche nel campo .
Programma esteso
- Panoramica dei nanomateriali e delle nanotecnologie, con prospettiva storica: approccio top-down vs bottom-up
- Energia superficiale ed effetti capillari, fino alla micro e alla nanoscala
- Superfici non bagnabili
- Teoria della nucleazione: nucleazione omogenea ed eterogenea
- Presentazioni di classe da parte degli studenti (dopo l'introduzione da parte dell'insegnante) su argomenti di ricerca all'avanguardia sui nanomateriali, tra cui:
- Nanomateriali a base di carbonio (grafene - nanotubi di carbonio)
- Aerogel
- Templagg con ghiaccio di colloidi
- Nanomateriali per la scissione elettrochimica dell'acqua
- Nanomateriali a base di biopolimeri (ad es. Cellulosa)
- L'adesione del Gecko e adesivi biomimetici
- Biomineralizzazione
- L'ultra-nero nelle pelli di animali
- Nanomateriali in applicazioni biomediche
- Implicazioni sociali: etica, sicurezza, ambiente e percezione pubblica
Prerequisiti
Suggerito: Suggested: Physical Chemistry of Solid State and Surfaces (1° anno, laurea magistrale Materials Science).
Modalità didattica
In presenza, in aula.
Materiale didattico
Referenze primarie:
- Gabor L. Hornyak, Joydeep Dutta, H.F. Tibbals, Anil Rao, Introduction to Nanoscience, CRC Press. Published May 15, 2008. 856 Pages, ISBN: 9781420048056
- Gabor L. Hornyak, John J. Moore, H.F. Tibbals, Joydeep Dutta, Fundamentals of Nanotechnology, CRC Press. Published December 22, 2008. 786 Pages. ISBN 9781420048032
- Guozhong Cao and Ying Wang, Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications, World Scientific (2011), ISBN 13: ISBN: 978-981-4322-50-8 (hardcover) 978-981-4324-55-7 (softcover).
- H.-J. Butt, M. Kappl. Surface and Interfacial Forces. Wiley, 2018, ISBN: 978-3-527-80436-8
Altri riferimenti:
- Sulabha K. Kulkarni. Nanotechnology: Principles and Practices. Springer International Publishing, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-09171-6.
- R. Kelsall, I. Hamley, M. Geoghegan. Nanoscale: Science and Technology. Wiley, 2005. ISBN: 978-0-470-85086-2.
- Michael Köhler and Wolfgang Fritzsche, Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques, Second Edition, Wiley, 3 December 2007, Print ISBN:9783527318711, Online ISBN:9783527621132 DOI:10.1002/9783527621132.
- Dieter Vollath, Nanomaterials: An Introduction to Synthesis, Properties and Applications, 2nd Edition, Wiley, 1 July 2013, 386 Pages, ISBN: 978-3-527-67186.
- Gerrard Eddy and Jai Poinern, A Laboratory Course in Nanoscience and Nanotechnology, 1st Edition, CRC Press, December 6, 2014, 260 Pages. ISBN 9781482231038.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
- Secondo anno, primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'insegnante valuta se e fino a che punto lo studente ha raggiunto gli obiettivi del corso. La valutazione formale sarà basata sulla conoscenza degli argomenti generali forniti. L'esame si svolge attraverso una prova orale.
Durante il corso, gli studenti terranno anche una presentazione in classe, prepareranno un breve video e scriveranno un "highlight" di ricerca degli argomenti sopra elencati.
La valutazione finale sarà una somma delle diverse parti:
- Presentazione: massimo 12 punti
- Simulazione di video per crowdfunding: massimo 6 punti
- Research highlight: massimo 4 punti
- Esame orale: massimo 8 punti
- TOTALE: massimo 30 punti
Orario di ricevimento
Su appuntamento, prenotabile tramite email.
Sustainable Development Goals
Aims
Aim of the course is to develop a fundamental understanding of the key aspect of nanomaterials, from their properties to engineering. Starting from Feynmann’s vision, dating back 1959, and his famous statement “There’s plenty of room at the bottom”, the course will focus on the relevance of investigating and using nanomaterials in the 21th century. By combining fundamental insights on nanomaterials physics and chemistry, the course will lead to design rules for engineering advanced functional materials with novel properties, to develop innovative strategies and devices. The course will focus on micro/nanoscale artificial materials, as well as natural and nature-inspired materials, with a particular focus on smart materials with special wettability. At the end of the course, the student will be able to understand complexity of nanomaterials, with critical view of both potential benefits and difficulties related to engineering implementation.
Contents
The course covers the basic principles associated with nanoscience and nanotechnology which is necessary to understand the nanomaterials properties, and how nanomaterials can be designed and engineered. The course will span from nanotools (characterizations and fabrication methods), to physics (size dependent properties and phenomena) and chemistry (synthesis and modification), as well as applications of materials at nanometer length scales with an emphasis on recent technological breakthroughs in the field.
Detailed program
- Overview of Nanomaterials and Nanotechnology, with historical perspective: top-down vs bottom-up approach
- Surface energy and capillary effects, down to the micro and nanoscale
- Non-wetting surfaces
- Nucleation theory: Homogeneous and heterogeneous nucleation
- Class presentations by students (after introduction by the teacher) on state-of-the-art research topics on nanomaterials, including:
- Carbon-based nanomaterials (graphene – carbon nanotubes)
- Aerogels
- Ice templating of colloids
- Nanomaterials for electrochemical water splitting
- Biopolymer-based (e.g. cellulose) nanomaterials
- Gecko glue and biomimethic adhesives
- Biomineralization
- The ultra-black in animal skins
- Nanomaterials in biomedical applications
- Societal Implications: ethics, safety, environment, and public perception
Prerequisites
Suggested: Physical Chemistry of Solid State and Surfaces (1st year, MSc degree in Materials Science).
Teaching form
Lectures and excercises will be in the class.
Textbook and teaching resource
Primary references:
- Gabor L. Hornyak, Joydeep Dutta, H.F. Tibbals, Anil Rao, Introduction to Nanoscience, CRC Press. Published May 15, 2008. 856 Pages, ISBN: 9781420048056
- Gabor L. Hornyak, John J. Moore, H.F. Tibbals, Joydeep Dutta, Fundamentals of Nanotechnology, CRC Press. Published December 22, 2008. 786 Pages. ISBN 9781420048032
- Guozhong Cao and Ying Wang, Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications, World Scientific (2011), ISBN 13: ISBN: 978-981-4322-50-8 (hardcover) 978-981-4324-55-7 (softcover).
- H.-J. Butt, M. Kappl. Surface and Interfacial Forces. Wiley, 2018, ISBN: 978-3-527-80436-8
Additional references:
- Sulabha K. Kulkarni. Nanotechnology: Principles and Practices. Springer International Publishing, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-09171-6.
- R. Kelsall, I. Hamley, M. Geoghegan. Nanoscale: Science and Technology. Wiley, 2005. ISBN: 978-0-470-85086-2.
- Michael Köhler and Wolfgang Fritzsche, Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques, Second Edition, Wiley, 3 December 2007, Print ISBN:9783527318711, Online ISBN:9783527621132 DOI:10.1002/9783527621132.
- Dieter Vollath, Nanomaterials: An Introduction to Synthesis, Properties and Applications, 2nd Edition, Wiley, 1 July 2013, 386 Pages, ISBN: 978-3-527-67186.
- Gerrard Eddy and Jai Poinern, A Laboratory Course in Nanoscience and Nanotechnology, 1st Edition, CRC Press, December 6, 2014, 260 Pages. ISBN 9781482231038.
Semester
Second year, First semester (Fall).
Assessment method
The teacher assesses if and to what extent the student has reached the course objectives.
A formal knowledge-based evaluation of the general topics delivered. The examination is performed through an oral exam.
During the course, the students will also conduct a class presentation, prepare a short video anfd write a research highlight on one of the above listed topic.
The final evaluation will be a sum of the different parts:
- Presentation: max 12 points
- Crowdfunding video simulation: max 6 points
- Research highlight: max 4 points
- Oral exam: max 8 points
- TOTAL: max 30 points
Office hours
Appointment, upon e-mail request.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Carlo Antonini
