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, fotorivelatori, batterie organiche. Sulla base di tale conoscenza, lo studente è in grado di proporre strategie per migliorarne le prestazioni.
- È in grado di raccogliere in modo indipendente informazioni aggiuntive su uno qualsiasi degli argomenti descritti durante le lezioni.
- È in grado di progettare e modificare una struttura molecolare proposta in modo da poter essere applicata in differenti dispositivi.
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 possiede 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
Elementi di design molecolare e individuazione delle componenti in un materiale coniugato. 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. Richiami di interazioni luce-materia in sistemi organici. 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 e ibridi. Batterie ricaricabili organiche. Elementi di materiali organici per bioimaging e terapia fotodinamica.
Programma esteso
Il corso è organizzato in attività in classe, 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)
• Elementi di interazione luce-materia
• Molecole e materiali coniugati con comportamento ottico non lineare
• Fotoresist
• Semiconduttori e conduttori polimerici organici
• Materiali elettrocromici
• Transistor a effetto di campo organico
• 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:
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 dispositivi sperimentando alcune tecniche viste durante le lezioni 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:
13 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
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 per un totale di 8 ore 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)
•H. Tian, G. Boschloo, A. Hagfeldt, Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage, Springer, 2018 (https://doi.org/10.1007/978-981-10-5924-7)
•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;
durante l'esame lo studente dovrà rispondere a 3 domande generali sugli argomenti discussi nelle lezioni. 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. L'esame prevede una prima domanda su un argomento a scelta dello studente e le altre due domande deriveranno dalla estensione dei concetti esposti e riportati su altri argomenti trattati nel corso.
Viene applicato il seguente grado di giudizio in relazione ai seguenti parametri:
- Conoscenza concettuale e capacità di comprensione
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Capacità comunicative e argomentative
- Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Votazione < 18
Conoscenza e Comprensione
Lo studente identifica solo parzialmente le caratteristiche dei concetti. Le connessioni tra i concetti risultano frammentarie e scarsamente supportate da conoscenze teoriche.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua solo alcuni elementi rilevanti in un fenomeno, senza riuscire a integrarli in un’analisi organica.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione essenziale, priva di articolazione logica e caratterizzata da numerose imprecisioni espositive.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente riesce a ricostruire solo alcuni aspetti del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale.
Votazione 18-22
Conoscenza e Comprensione
Lo studente riconosce e restituisce la maggior parte delle caratteristiche concettuali e riesce a fornirne una spiegazione relativamente coerente, sebbene con qualche imprecisione. I riferimenti teorici sono presenti ma non sempre in modo rigoroso.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente è in grado di riconoscere un numero significativo di elementi e di fornire una spiegazione parziale, pur evidenziando alcune lacune nell’analisi.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente costruisce un’argomentazione di base, dotata di una struttura minima ma con alcune imprecisioni.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente dimostra una consapevolezza di base del proprio percorso di apprendimento, riuscendo a tracciare collegamenti essenziali tra le esperienze formative, sebbene con alcune imprecisioni.
Votazione 23-27
Conoscenza e Comprensione
Lo studente dimostra una comprensione approfondita delle caratteristiche concettuali. Nella prova orale le spiegazioni risultano ben articolate e supportate da un uso adeguato dei riferimenti teorici.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua con precisione gli elementi essenziali di un fenomeno. L’applicazione delle conoscenze avviene con un rigore metodologico non sempre solido.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente sviluppa un’argomentazione coerente e ben organizzata, dimostrando una buona padronanza del linguaggio e una struttura logico-argomentativa solida. La comunicazione risulta chiara ed efficace.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente analizza il proprio percorso di apprendimento in modo chiaro e strutturato, mettendo in evidenza relazioni significative tra le diverse tappe evolutive e dimostrando una buona capacità di riflessione critica.
Votazione 28-30
Conoscenza e Comprensione
Lo studente evidenzia una padronanza completa dei concetti, articolando connessioni complesse e fornendo spiegazioni esaustive. I riferimenti teorici sono utilizzati con pertinenza e rigore.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di analisi di un fenomeno, individuando e interpretando in modo esaustivo tutti gli elementi salienti. L’applicazione delle conoscenze avviene con rigore metodologico, supportato da un’argomentazione solida e articolata.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione solida e articolata, con un impianto logico rigoroso e un elevato livello di coerenza testuale. Il discorso è fluido e ben strutturato.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di autoriflessione, elaborando un’analisi articolata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Le connessioni tra esperienze formative e concetti teorici risultano chiare, coerenti e rigorose.
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
general objectives
Molecular materials are rapidly gaining ground, both in terms of scientific research and technological applications.
The course aims to provide detailed knowledge of the relationships between the structure and properties that govern the behaviour of such materials, with particular attention to 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 extent of conjugation with optical, electrical and optoelectronic properties
- Understands the concept of non-covalent bonds and can understand its influence on the aggregation state of molecules and polymers in the solid state and in solution
- Can distinguish between electron donors and acceptors residues in organic molecules. Can reason about their influence on electrical, optical and optoelectronic properties.
- Can design organic conjugated materials for a specific purpose, based on a set of conditions that define the required behaviour
Knowledge and ability of understanding:
The student:
- Knows the basic operating principles of organic electro/optical modulators, thin film transistors, electrochromic devices, solar cells, OLEDs, photodetectors, and organic batteries. Based on this knowledge, the student is able to propose strategies to improve their performance.
- Can independently collect additional information on any of the topics described during the lessons.
- Can design and modify a proposed molecular structure so that it can be applied in different devices.
Autonomy of judgment
Given the structure of a conjugated molecule or polymer, the student is able to qualitatively estimate the corresponding optical, electrical and optoelectronic properties. Conversely, given a certain function that a given organic molecule must perform, the student can propose organic derivatives known in literature and original capable of performing it. The student is also able to estimate the influence of the environment on the properties of isolated and aggregated molecules.
Communication skills.
The student can provide concise and complete information. The student has the specific terminology of the field, so he is in a position to discuss with counterparts who have both a chemical and a physical/engineering background. He has a "problem-solving" attitude.
Learning skills.
The student can extend what he has learned in the lectures to case studies not covered during the course. In particular, he can independently manage the vast literature dedicated to conjugated materials. He knows the search tools of the dedicated literature, including patents.
Contents
Elements of molecular design and identification of components in a conjugated material. Non-covalent interactions, aggregates and molecular solids: dipole-dipole, ion-dipole, hydrogen bond, coordinative bond and interactions between walls. Examples of guest-host interactions in solution: crown ethers, coronands, cryptands, calixarenes and resorcinarenes, rotaxanes and catenanes. Recall of light-matter interactions in organic systems. Materials for nonlinear optics: theoretical background. Molecular materials for optoelectronics. Push-pull derivatives and BLA model. Thin films (polar and sol-gel polymers, Langmuir-Blodgett films, self-assembled superlattices). Two-photon absorbing materials and their applications (lasers and imaging, optical limiting, 3D microfabrication). Synthesis and characterisation of organic semiconductors. Transport properties in charge-transfer complexes. Conducting polymers (polyacetylene, PPV, polyheterocycles). Electrochemical and oxidative polymerisations. Cross-coupling polymerisations.
Electrochromic materials and devices: basic and design criteria for molecular and polymeric materials. Specific problems with device assembly. Materials for displays and lighting: operating principle and architecture of OLEDs. Polymeric materials and molecular materials. Solid-state conversion devices. Materials for organic and hybrid solar devices. 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/or laboratory activities.
•Elements of conjugated materials design (building blocks)
•Elements of supramolecular chemistry (non covalent interactions)
•Elements of light-matter interaction
•Conjugated molecules and materials having Nonlinear Optical Behavior
•Photoresists
•Organic polymeric semiconductors and conductors
•Electrochromic materials
•Organic Field Effect Transistors
•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:
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:
13 two-hour lecture, in person, Delivered Didactics
4 two-hour practical classes in person in delivered mode in the initial part aimed at involving students interactively in the next part. Mixed teaching.
3 lab activities for a total of eight-hour, 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)
•H. Tian, G. Boschloo, A. Hagfeldt, Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage, Springer, 2018 (https://doi.org/10.1007/978-981-10-5924-7)
•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.
During the exam, the student will have to answer 3 general questions on the topics discussed in the lectures. The questions will focus on the ability to reorganize the concepts discussed in the lectures. Students will be encouraged to reason about the possible use of their notions in practical examples/applications. The exam will include a first question on a topic of the student's choice, and the other two questions will derive from the extension of the concepts exposed and reported on other topics covered in the course.
The following level of judgment is applied in relation to the following parameters:
- Conceptual knowledge and understanding ability
- Ability to apply knowledge and understanding
- Communication and argumentation skills
- Learning, self-assessment and self-regulation skills
Grade < 18
Knowledge and Understanding
The student only partially identifies the characteristics of the concepts. The connections between the concepts are fragmented and poorly supported by theoretical knowledge.
Ability to apply knowledge and understanding
The student identifies only some relevant elements in a phenomenon, without being able to integrate them into an organic analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student develops an essential argument, lacking logical articulation and characterized by numerous expository inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student is able to reconstruct only some aspects of his/her learning and professional development path.
Score 18-22
Knowledge and Understanding
The student recognizes and returns most of the conceptual characteristics and is able to provide a relatively coherent explanation, although with some inaccuracies. Theoretical references are present but not always rigorously.
Ability to apply knowledge and understanding
The student is able to recognize a significant number of elements and provide a partial explanation, although highlighting some gaps in the analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student constructs a basic argument, with a minimal structure but with some inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates a basic awareness of his/her learning path, managing to trace essential connections between the formative experiences, although with some inaccuracies.
Score 23-27
Knowledge and Understanding
The student demonstrates an in-depth understanding of the conceptual characteristics. In the oral exam, the explanations are well-structured and supported by an adequate use of theoretical references.
Ability to apply knowledge and understanding
The student accurately identifies the essential elements of a phenomenon. The application of knowledge occurs with a methodological rigor that is not always solid.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a coherent and well-organized argument, demonstrating good command of the language and a solid logical-argumentative structure. Communication is clear and effective.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student analyzes his/her learning path in a clear and structured way, highlighting significant relationships between the different evolutionary stages and demonstrating a good capacity for critical reflection.
Score 28-30
Knowledge and Understanding
The student demonstrates a complete mastery of the concepts, articulating complex connections and providing exhaustive explanations. Theoretical references are used with relevance and rigor.
Ability to apply knowledge and understanding
The student demonstrates an advanced ability to analyze a phenomenon, identifying and interpreting all the salient elements in an exhaustive manner. The application of knowledge occurs with methodological rigor, supported by a solid and articulated argument.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a solid and articulated argument, with a rigorous logical structure and a high level of textual coherence. The speech is fluid and well-structured.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates an advanced ability to self-reflect, developing a detailed and in-depth analysis of his/her own learning and professional development path. The connections between training experiences and theoretical concepts are clear, coherent and rigorous.
Office hours
generally in the afternoon between 14:30 and 17:30 but visits on appoitment are strongly suggested.
