Course Syllabus
Obiettivi
Lo scopo del corso è fornire agli studenti le conoscenze e competenze necessarie per padroneggiare i complessi meccanismi e processi che stanno alla base delle trasformazioni di fase dei materiali, sia per quanto riguarda gli aspetti termodinamici sia per quanto riguarda gli aspetti cinetici. Le conoscenze e competenze acquisite verranno applicate ad alcuni casi di studio di rilevante importanza tecnologica nel settore dei materiali funzionali.
D1 - CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Descrivere i principi base della termodinamica dello stato solido
2 Descrivere i processi cinetici allo stato solido
3 Descrivere i meccanismi di transizione di fase allo stato solido
4 Descrivere i processi di diffusione e trasporto ionico allo stato solido
5 Descrivere i principi fisici alla base di diffrazione e spettroscopie a base di raggi X
6 Descrivere i principi fisici alla base della spettroscopia NMR a gradiente impulsato
7 Descrivere le proprietà degli stati cristallino e amorfo.
D2 - CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Prevedere i risultati di un processo di trasformazione di fase sulla base di considerazioni termodinamiche
2 Ottenere informazioni strutturali dalle tecniche diffrattometriche
3 Ottenere informazioni dinamiche e strutturali dalle tecniche spettroscopiche
4 Correlare struttura e proprietà funzionali in sistemi cristallini e amorfi.
D3 - AUTONOMIA DI GIUDIZIO Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Scegliere le tecniche più utili per l'analisi strutturale di un solido
2 Selezionare le tecniche ed i parametri sperimentali utili ad ottenere specifiche informazioni strutturali nei solidi
3 Selezionare le tecniche ed i parametri sperimentali utili ad ottenere specifiche informazioni dinamiche nei solidi
4 Affrontare una discussione critica sulle relazioni tra struttura e proprietà funzionali in un solido
D4- ABILITA' COMUNICATIVE
Saper descrivere in forma scritta in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.
D5 - CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO Risultati attesi:
1 Raccogliere e comprendere le nuove informazioni utili per razionalizzare le proprietà strutturali di solidi.
2 Raccogliere e comprendere le informazioni circa l'evoluzione tecnologica di alcune tecniche spettroscopiche.
Contenuti sintetici
Verranno innanzitutto discusse la termodinamica e la cinetica dei solidi. L’attenzione sarà posta sui processi di trasformazione di fase e sui meccanismi cinetici (diffusione, trasporto) che stanno alla loro base. Verranno poi introdotti i fondamenti di alcune tecniche spettroscopiche in grado di investigare la correlazioni tra struttura, dinamica e proprietà funzionali di alcune classi di solidi.
Programma esteso
Termodinamica e cinetica delle trasformazioni di fase.
Principi della teoria di Landau. Trasformazioni ordine-disordine.
Soluzioni solide. Sistemi policristallini e bordo dei grani.
Processi di nucleazione omogenea e eterogenea durante la solidificazione e le trasformazioni solido-solido.
Cinetica allo stato solido. Processi di trasporto di calore e materia.
Equazioni di continuità. Principi di termodinamica dei processi irreversibili. Relazioni di Onsager. Diffusione e leggi di Fick.
Equazione della diffusione ed esempi di sue soluzioni. Applicazioni a processi di diffusione nei solidi.
Aspetti strutturali delle trasformazioni allo stato solido.
La spettroscopia di raggi X: EXAFS, XANES.
Misura dei coefficienti di diffusione mediante NMR.
Prerequisiti
Termodinamica generale. Cristallografia generale.
Modalità didattica
Lezioni frontali.
Materiale didattico
B.S. Bokstein et al., Thermodynamics & Kinetics in Materials Science, Oxford University Press, Oxford, 2005.
A.R. West, Solid State Chemistry and its Applications, Wiley, Chichester, 2014.
Dispense del docente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale con votazione in trentesimi
La verifica dell'apprendimento dei risultati previsti dai descrittori D1-D5 viene effettuata mediante un colloquio, durante il quale vengono poste allo studente almeno due domande su diverse parti del programma. Il colloquio, oltre ad accertare l'acquisizione di conoscenze e competenze disciplinari, tenderà a verificare le capacità di analisi critica, l’autonomia di giudizio e le capacità espositive dello studente.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to provide students with the knowledge and skills necessary to master the complex mechanisms and processes that underlie the phase transformations of materials, both concerning the thermodynamic aspects and the kinetic ones. The knowledge and skills acquired will be applied to some case studies of technological relevance in the field of functional materials.
D1 - KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING ABILITY
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Describe the basic principles of solid state thermodynamics
2 Describe the kinetic processes in the solid state
3 Describe the solid state phase transition mechanisms
4 Describe the processes of diffusion and ion transport in the solid state
5 Describe the physical principles underlying diffraction and X-ray spectroscopy
6 Describe the physical principles underlying pulsed gradient NMR spectroscopy
7 Describe the properties of crystalline and amorphous states.
D2 - CAPACITY TO APPLY KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Predict the results of a phase transformation process based on thermodynamic considerations
2 Obtain structural information from diffractometric techniques
3 Obtain dynamic and structural information from spectroscopic techniques
4 Correlate structure and functional properties in crystalline and amorphous systems.
D3 - JUDGMENT AUTONOMY
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Choose the most useful techniques for the structural analysis of a solid
2 Select the experimental techniques and parameters to obtain specific structural information in solids
3 Select the experimental techniques and parameters to obtain specific dynamic information in solids
4 Addressing a critical discussion of the relationships between structure and functional properties in a solid.
D4- COMMUNICATION SKILLS
To be able to describe in a clear and concise form: i) the objectives, ii) the procedure and iiii) the results of the elaborations carried out.
D5 - LEARNING SKILLS
Expected results:
1 Collect and understand new information useful for rationalizing the structural properties of solids.
2 Collect and understand information about the technological evolution of some spectroscopic techniques.
Contents
Thermodynamics and kinetics of solids.
Phase transformation processes and the kinetic mechanisms (diffusion, transport) that are at their base.
Fundamentals of some spectroscopic techniques able to investigate the correlations between structure, dynamics and functional properties of some classes of solids.
Detailed program
Thermodynamics and kinetics of phase transformations.
Fundamentals of Landau’s theory. Order-disorder transitions.
Solid solutions. Polycrystalline systems and formation of grain boundary.
Homogeneous and heterogeneous nucleation during solidification and solid-solid transformations.
Kinetics in solid state. Processes of heat and matter transport.
Continuity equations. Principles of thermodynamics of irreversible processes. Onsager relations. Diffusion: Fick’s law. Diffusio equation and solutions. Applications to diffusion processes in solids. Structural aspects of solid state transformations.
Radial distribution function, types of disorder. Structure of glasses and mechanisms of ion transport.
X-rays spectroscopy: EXAFS, XANES.
Diffusion coefficients measured by NMR.
Prerequisites
Basic thermodynamics. Basic crystallography.
Teaching form
Oral lessons.
Textbook and teaching resource
B.S. Bokstein et al., Thermodynamics & Kinetics in Materials Science, Oxford University Press, Oxford, 2005.
A.R. West, Solid State Chemistry and its Applications, Wiley, Chichester, 2014.
Lecture notes of the teacher.
Semester
First
Assessment method
Oral exam with vote in thirtieths.
The verification of the learning of the results foreseen by the descriptors D1-D5 is carried out through an interview, during which at least two questions are asked the student on different parts of the program. The interview, in addition to ascertain the acquisition of knowledge and disciplinary skills, will tend to verify the critical analysis skills, the judgement level the and exposing capabilities acquired by the student.
Office hours
By appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Piercarlo Mustarelli
