Course Syllabus
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:
- Comprende il concetto di coniugazione in materiali organici e correla l'estensione della coniugazione con proprietà ottiche, elettriche e optoelettroniche
- 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
- 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.
- 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:
- 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.
- Conosce il principio di funzionamento dei fotoresists organici e può applicare il concetto nelle più documentate applicazioni industriali e di ricerca degli stessi
- È in grado di raccogliere in modo indipendente informazioni aggiuntive su uno qualsiasi degli argomenti descritti durante le lezioni.
- Conosce e valuta in modo appropriato la letteratura del campo.
- 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. Materiali per dispositivi solari organici. Batterie ricaricabili organiche. Elementi di materiali organici per bioimaging e terapia fotodinamica.
Programma esteso
Il corso è organizzato in attività in classe, attività di lettura guidata, attività interattive in aula baste sull'analisi del design molecolare e attività di laboratorio.
• 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
• Letteratura scientifica e database
• Terapia fotodinamica
• Materiali organici per celle solari (DSSC, perovskite e ad eterogiunzione)
• Complessi a trasferimento di carica
• Dispositivi organici ad emissione luminosa
Gli studenti sono invitati a prendere parte alle attività interattive così organizzate:
Lettura guidata
• Fornire una relazione tipo revisione tra pari di un documento scientifico considerato a livello di sottomissione per arbitrato tra pari.
• Il lavoro verrà svolto per alcuni articoli differenti
• Verranno organizzate sessioni di discussione attiva tra compagni di corso in classe.
Disegno e analisi critica di strutture molecolari
• Il lavoro verrà svolto a gruppi in aula e verranno proposte e analizzate strutture specifiche di molecole. Le strutture verranno poi modificate in maniera cooperativa per modificarne le proprietà previste.
Attività pratica di laboratorio
• Il lavoro verrà svolto a gruppi in laboratorio e verranno proposte alcune attività legate alla preparazione e caratterizzazione di dispositvi sperimentando alcune tecniche viste durante le lelzioni in aula.
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) possono essere richiesti
Modalità didattica
Insegnamento con differenti modalità didattiche:
11 lezioni da 2 ore e 1 lezione da 1 ora in presenza, Didattica Erogativa
2 attività da 2 ore in presenza di lettura di articoli scientifici e discussione in aula, Didattica interattiva
4 esercitazioni da 2 ore in presenza in modalità erogativa nella parte iniziale che è volta a coinvolgere gli
studenti in modo interattivo nella parte successiva. Didattica mista.
3 attività di laboratorio da 4 ore in presenza, Didattica interattiva
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
• COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE, SUI TESTI DI ESAME E DISCUSSIONE SULLE ATTIVITA' DI LABORATORIO;
• Valutazione degli incarichi di letture guidate
durante l'esame lo studente dovrà rispondere a 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
Sustainable Development Goals
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:
- Understands the concept of conjugation in organic materials and correlates the extension of conjugation with optical, electrical and optoelectronical properties
- 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
- Can distinguish between electron donating and electron accepting residues in organic molecules. Can reason on their influence on electrical, optical and optoelectronical properties.
- Can design organic conjugated materials for a specific purpose, given a series of conditions defining the required behaviour
Applying Knowledge and understanding:
The student:
- 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.
- Knows the working principle of organic photoresists and can apply the concept in most documented industrial and research applications of the same
- Is capable of independently gathering additional information on any one of the topics described during classes.
- Knows and critically evaluates the literature of the field.
- 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. Materials for organic solar cells. Organic rechargeable batteries. Elements of organic materials for bioimaging and photodynamic therapy.
Detailed program
The course is organized into classroom activities, guided reading activities, interactive classroom activities based on molecular design analysis and laboratory activities.
•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
•Scientific literature and databases
•Photodynamic therapy
•Organic solar cells (DSSC, perovskite, bulk heterojunction)
•Charge transfer complexes
•Organic light emitting devices
Students are inveted to take part to guided readings activites thus organized:
guided reading
• During classes you will have to repeat this exercise for few different papers
• Active discussions amongst fellow student in class will be organized.
•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
Design and critical analysis of molecular structures
• The work will be carried out in groups in the classroom and specific structures of molecules will be proposed and analysed. The structures will then be modified cooperatively to modify their intended properties.
Practical laboratory activity
• The work will be carried out in groups in the laboratory and some activities related to the preparation and characterization of devices will be proposed, experimenting with some techniques seen during the classroom lessons.
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) could be required
Teaching form
Teaching with different teaching methods:
11 two-hour and 1 one-hour lectures, in person, Delivered Didactics
2 two-hour seminar in in person about reading of scientific articles and discussion in the classroom, Interactive teaching
4 two-hour practical classes in person in delivery mode in the initial part which is aimed at involving students
students interactively in the next part. Mixed teaching.
3 four-hour lab activities, in person, Interactive Teaching
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
•INTERVIEW ON THE TOPICS DEVELOPED IN LESSONS, ON THE EXAM TEXTS AND DISCUSSION ON THE LABORATORY ACTIVITIES.
•Evaluation of the guided readings assignments
during the exam the student will have to answer 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.
