Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di introdurre e discutere metodi avanzati per la sintesi di materiali funzionali inorganici e ibridi organico-inorganico. Viene posta particolare attenzione alla selezione dei precursori e delle condizioni di processo per ottenere materiali con composizione, proprietà chimico-fisiche e struttura predeterminate. Data l’importanza dei materiali cristallini verranno fornite nozioni introduttive riguardanti i meccanismi di nucleazione e di crescita a partire dal fuso, da soluzione (bassa e alta temperatura) e da fase vapore. Concetti avanzati di chimica inorganica, incluse reazioni acido/base, reazioni di ossido-riduzione e la stabilità in acqua o altri solventi, verranno discusse con l’obbiettivo di fornire ulteriori competenze per una selezione oculata dei materiali e dei parametri di sintesi per una data applicazione.
Al termine del corso lo studente conoscerà i fondamenti chimico-fisici e di processo relativi ad alcuni tra i principali approcci alla sintesi di materiali inorganici avanzati, sia in termini di metodi di sintesi chimica sia di parametri chimico-fisici e di processo che consentono di controllare la sintesi di materiali funzionali a base inorganica. Il corso è la naturale prosecuzione e integrazione del corso Strategies for materials synthesis – Inorganic strategies for materials synthesis, anch’esso svolto nel primo semestre.
Contenuti sintetici
Sintesi di materiali funzionali (in forma di cristalli singoli, polveri policristalline, film, materiali con porosità ordinata) mediante: sintesi di solidi da fase gassosa, da fuso e da soluzione a bassa e alta temperatura, a bassa e alta pressione, metodi basati sull’approccio sol-gel. Introduzione alla nucleazione classica e non-classica dei cristalli e ai meccanismi di crescita sulle superfici dei cristalli. Influenza degli additivi sulla crescita dei cristalli. Definizioni avanzate di acidi e basi, proprietà acido/base dei materiali inorganici, proprietà di ossidazione/riduzione dei materiali inorganici, diagrammi di fase, stabilita in acqua e altri solventi.
Programma esteso
Nucleazione dei cristalli e meccanismi della crescita cristallina: nucleazione classica e nuove teorie emergenti Struttura superficiale dei cristalli e sua relazione con i meccanismi di crescita. Dipendenza della morfologia cristallina dai parametri di crescita. Pianificazione di un esperimento di crescita cristallina. Effetti cinetici e termodinamici. Il ruolo delle sostanze estranee: impurezze e additive.
Sintesi di solidi da fase gassosa: deposizione chimica e fisica da vapore, (e tecniche derivate quali sputtering, evaporazione termica, epitassia da fase vapore, infiltrazione chimica di vapore, …) con modelli cinetici, tipi di reattore, requisiti dei reagenti.
Sintesi da fuso e da soluzione: crescita di cristalli dal fuso: caratteristiche generali e tecniche speciali (metodi di Verneuil, Bridgman-Stockbarger, Czochralski, Kyroupolos, skull, a zona fluttuante). Crescita da soluzione a bassa e alta temperatura (processi solvotermali e idrotermali, crescita da solventi speciali ad alta temperatura). Reazioni di precipitazione e controllo della morfologia cristallina. Il ruolo di additivi/impurezze.
Sintesi di materiali microporosi: porosità ordinate mediante agenti “templanti”; sintesi di zeoliti e MOF (metal-organic frameworks). Metodi solvotermali e metodi a bassa temperatura. Le banche dati delle zeoliti e dei MOF.
Sintesi di perovskiti ibride organico-inorganico (HOIPs): strategie e pianificazione – dalla struttura cristallina di ReO3 a oltre 3000 perovskiti ibride (fasi 3D e fasi 2D di Ruddlesden-Popper e Dion-Jacobson) per applicazioni fotovoltaiche, laser, rivelatori, catalisi, etc. Miti e falsi annunci nel campo delle HOIPs: una valutazione critica della letteratura scientifica. La banca dati delle perovskiti.
Sintesi di materiali bioispirati: i processi di biomineralizzazione e il ruolo dei processi di nucleazione e gli additivi per la crescita. Materiali biogenici e i nuovi materiali biomimetici.
Sintesi di pigmenti inorganici: caratteristiche generali delle particelle di pigmento (taglia, distribuzione delle taglie, area e chimica di superficie). Metodi generali di sintesi dei pigmenti inorganici. Pigmenti funczionali.
Reattività e stabilità dei materiali inorganici: Definizioni avanzate di acidi e basi, proprietà acido/base dei materiali inorganici, proprietà di ossidazione/riduzione dei materiali inorganici, diagrammi di fase, stabilita in acqua e altri solventi.
Problemi ambientali e materiali inorganici
Prerequisiti
Il corso di Chimica dei Materiali Inorganici richiede un approccio interdisciplinare che utilizza nozioni acquisite negli insegnamenti di chimica generale e inorganica, chimica organica, chimica fisica (termodinamica ed equilibrio chimico) e nozioni di base di cristallografia.
Modalità didattica
Le lezioni verranno impartite in lingua inglese, mediante la proiezione di testo, schemi, diagrammi, fotografie e filmati.
Materiale didattico
Testo di riferimento:
Synthesis of inorganic materials - U. Schubert, N. Hüsing - (2019) - ebook
Testi per approfondimento/consultazione:
- The inorganic chemistry of materials: how to make things out of elements - P.J. van der Put - (1998)
- Solid state chemistry. Compounds - Eds. A.K. Cheetham, P. Day - (1992)
- Springer handbook of crystal growth - G. Dhanaraj, K. Byrappa, V. Prasad, M. Dudley Eds. - (2010) - ebook
- Inorganic Pigments - G. Pfaff - (2017) - ebook
- Modern inorganic chemistry synthesis – R. Xu, W. Pang, Q. Huo Eds. - (2017) – ebook
- Inorganic chemistry – D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford – Oxford University Press (1990)
- Inorganic chemistry – J. E. Huheey – Harper & Row Eds. (1983)
Specifici articoli di rassegna verranno suggeriti per argomenti specifici. I testi sono disponibili presso la sede di scienze della biblioteca di ateneo.
Gli argomenti trattati in aula saranno disponibili in formato pdf sulla piattaforma e-learning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° semestre - da settembre 2023
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame consiste in un colloquio orale e individuale. Non sono previste prove in itinere intermedie. La verifica del profitto è volta a valutare la preparazione raggiunta in termini di conoscenza teorica degli argomenti trattati durante le lezioni e della loro applicazione in alcuni casi concreti discussi durante le lezioni. Tra i parametri utilizzati per esprimere il giudizio finale vi è la capacità di esporre in modo chiaro e rigoroso gli argomenti appresi. La votazione viene espressa in trentesimi tra 18/30 e 30/30 inclusi, eventualmente con lode, valutata in base alla completezza e qualità delle risposte fornite dallo studente.
Orario di ricevimento
I docenti sono disponibili per chiarimenti e consigli riguardanti gli argomenti trattati previo appuntamento tramite e-mail a: massimo.moret@unimib.it o livia.giordano@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
Describe and discuss advanced methods for the synthesis of functional inorganic and hybrid organic-inorganic materials. Focus is on the choice of precursors and process conditions for synthesizing materials with the required composition, structure and physico-chemical properties. Owing to the dominance of crystalline materials students will learn fundamentals of crystal nucleation and crystal growth mechanisms from the melt, solution (low and high temperature) and vapor. Advanced aspects of inorganic chemistry, including acid/base reactions, oxidation/reduction reactions and stability in water and other solvents, will also be discussed giving further skills for a sound selection of materials and synthesis parameters for given applications.
Students will acquire basic knowledge about relevant advanced inorganic materials and synthetic methods with process parameters. This will enable the student to select approach, method and parameters best suited to fully control and optimize the synthesis of inorganic functional materials. This course logically follows and completes the mandatory course Strategies for materials synthesis – Inorganic strategies for materials synthesis also held in the first semester.
Contents
Advanced synthesis of functional materials (single crystals, polycrystalline powders, films, and ordered porous materials): synthesis of solids from the gas phase, from melts and solutions at low and high temperature, low and high pressure, exploitation of sol-gel processes. Fundamentals of classical and non-classical nucleation theories of crystals and growth mechanisms at the crystal surfaces. Influence of additives on crystal growth. Advanced definitions of acids and bases, acid/base properties of inorganic material, redox properties of inorganic materials, phase diagrams and stability in water and other solvents.
Detailed program
Nucleation of crystals and crystal growth mechanisms: classical and emerging non classical point of views on nucleation phenomena. Structure of crystal surfaces and their relation to growth mechanisms. Dependence of crystal morphology on growth parameters. Planning of crystal growth experiments. Kinetics versus thermodynamics. Effects of foreign substances: impurities and additives.
Synthesis of solids from the gas phase: Chemical and Physical Vapor Deposition (with sister techniques such as sputtering, thermal evaporation, vapor phase epitaxy, Chemical Vapor Infiltration, ..) with kinetic models, reactor types, features od reactants
Synthesis of solids from melts and solutions: crystal growth from the melt: general features and special techniques (Verneuil, Bridgman-Stockbarger, Czochralski, Kyroupolos, Skull method, Floating zone). Growth from low and high temperature solutions (solvothermal and hydrothermal processes, flux growth). Precipitation reactions and control of crystal morphology. The role of additives/impurities.
Synthesis of microporous materials: ordered porosity by “templating agents”; synthesis of zeolites and metal-organic frameworks. Solvothermal methods versus low temperature solution methods. Zeolites and MOF databases.
Synthesis of hybrid organic-inorganic perovskites (HOIPs): strategies and planning - from ReO3 crystal structure to +3000 hybrid perovskites (3D phases and 2D Ruddlesden-Popper and Dion-Jacobson phases) for photovoltaics, lasers, detectors, catalysts, etc. Miths and fake news in HOIPs: a critical evaluation of scientific literature. The Perovskite database.
Synthesis of bioinspired materials: biomineralization processes and the role of crystal nucleation and growth additives. Biogenic materials and new biomimetic smart materials.
Synthesis of inorganic pigments: general properties of pigment particles (particle size, size distribution, surface area and chemistry). General synthetic methods for pigment particles. Functional pigments.
Reactivity and stability of inorganic materials: Advanced definitions of acids and bases, acid/base properties of inorganic material, redox properties of inorganic materials, phase diagrams and stability in water and other solvents, including molten salts.
Environmental issues and inorganic materials.
Prerequisites
Chemistry of inorganic materials is based on an interdisciplinary approach exploiting general and inorganic chemistry, organic chemistry, physical chemistry (thermodynamics and chemical equilibria) and basic knowledge of crystallography.
Teaching form
Lectures will be given in English with support by video projection of text, schemes, diagrams, pictures and movies.
Textbook and teaching resource
Reference general textbook:
Synthesis of inorganic materials - U. Schubert, N. Hüsing - (2019) - ebook
Reference textbooks:
- The inorganic chemistry of materials: how to make things out of elements - P.J. van der Put - (1998)
- Solid state chemistry. Compounds - Eds. A.K. Cheetham, P. Day - (1992)
- Springer handbook of crystal growth - G. Dhanaraj, K. Byrappa, V. Prasad, M. Dudley Eds. - (2010) - ebook
- Inorganic Pigments - G. Pfaff - (2017) - ebook
- Modern inorganic chemistry synthesis – R. Xu, W. Pang, Q. Huo Eds. - (2017) – ebook
- Inorganic chemistry – D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford – Oxford University Press (1990)
- Inorganic chemistry – J. E. Huheey – Harper & Row Eds. (1983)
Specific review articles will be suggested for selected topics. Copies of the textbooks are available for lending from the university library.
Lecture handouts will be provided as pdf files uploaded on the e-learning platform.
Semester
1ˢᵗ semester, starting on September 2023
Assessment method
The examination is performed through an oral exam without midterm tests. The teacher assesses if and to what extent the student has reached the course objectives, through a formal knowledge-based evaluation of the general topics delivered together with selected case studies. Parameters analyzed for producing the final score are capability and fluency during the interview to illustrate in a clear and sound way the topics delivered. A positive final graduation ranges from 18/30 to 30/30 cum laude based on quality and completeness level of the answers provided by the student.
Office hours
The teachers are available for help and discussion by arranging a meeting by email to: massimo.moret@unimib.it or livia.giordano@unimib.it.
