Course Syllabus
Obiettivi
Il corso introduce e discute criticamente alcuni metodi avanzati per la sintesi di materiali funzionali inorganici, con particolare attenzione alla selezione dei precursori e delle condizioni di processo per ottenere materiali aventi composizione, proprietà chimico-fisiche e struttura predeterminate. Data l’importanza dei materiali in forma cristallina verranno fornite nozioni di base riguardanti la crescita cristallina a partire dal fuso, da soluzione (bassa e alta temperatura) e da fase vapore.
Questo insegnamento ambisce a contribuire alle competenze specifiche, teoriche e sperimentali, sulle proprietà dei materiali inorganici, e alle capacità pratiche per la preparazione e caratterizzazione dei materiali. 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, sia in termini di metodi di sintesi chimica sia di parametri chimico-fisici e di processo per la sintesi di materiali funzionali a base inorganica. Il corso è la naturale integrazione del corso Strategies for materials synthesis – Inorganic strategies for materials synthesis.
Conoscenze e capacità di comprensione: il corso ha l'obiettivo di creare uno spirito critico, volto all'esame e alla comprensione dei processi coinvolti nella preparazione dei materiali inorganici. Lo studente utilizza con dimestichezza concetti e strumenti interpretativi di applicazione generale nell'ambito degli argomenti trattati nelle lezioni.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Al termine del corso lo studente maneggia concetti relativi alle nozioni di termodinamica e cinetica da applicare nel campo della sintesi di materiali inorganici di diverse tipologie, inclusa la rilevanza applicativa dei solidi inorganici in processi industriali e nell'ambito della ricerca.
Autonomia di giudizio: grazie alle interazioni con gli studenti in aula viene costantemente stimolato lo sviluppo di un'adeguata autonomia di giudizio.
Abilità comunicative: il corso ha l'obiettivo di migliorare le abilità comunicative. A tale scopo gli esami di profitto sono svolti con modalità orale in presenza dei docente, con particolare cura verso gli aspetti di linguaggio tecnico e scientifico.
Capacità di apprendimento: il corso vuole stimolare e migliorare le capacità di apprendimento grazie all'utilizzo di strumenti didattici diversificati (note del docente, filmati, parti selezionate di testi monografici). Lo studente avrà modo di sviluppare le proprie capacità di apprendimento autonomo, confrontandosi direttamente anche con le fonti di letterature scientifica, e le proprie abilità comunicative, che verranno verificate in sede di esame orale.
Contenuti sintetici
Distribuzione degli elementi chimici nella crosta terrestre e problema della loro estrazione. Sintesi di materiali funzionali (in forma di cristalli singoli, polveri policristalline, film, materiali con porosità ordinata) mediante: sintesi da fase gassosa, fuso e da soluzione a bassa e alta temperatura, a bassa e alta pressione.
Definizioni avanzate di acidi e basi, proprietà acido-base di materiali inorganici, proprietà delle superfici dei materiali inorganici.
Programma esteso
Disponilità e distribuzione degli elementi chimici nella crosta terrestre: problemi ambientali e tecnologici per l'estrazione degli elementi di interesse per la sintesi di materiali inorganici.
Sintesi di solidi da fase gassosa: deposizione chimica e fisica da vapore, (e tecniche derivate) con modelli cinetici, tipi di reattore, requisiti dei reagenti.
Sintesi da fuso e da soluzione: crescita di cristalli dal fuso: caratteristiche generali e tecniche specifichei (metodi di Verneuil, Bridgman-Stockbarger, Czochralski, Kyroupolos, 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 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 e redox dei materiali inorganici, diagrammi di fase e stabilità in acqua e altri solventi.
Chimica delle superfici dei materiali inorganici: Differenze nella reattività delle diverse facce dei materiali inorganici, effetti di nanostrutturazione, funzionalizzazione di superfici, fenomeni di intercalazione in materiali a strati.
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
Il corso prevede 24 lezioni frontali da 2 ore in presenza (Didattica Erogativa). 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)
- 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)
Gli argomenti trattati in aula saranno disponibili in formato pdf sulla piattaforma e-learning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° semestre - da settembre 2025
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 sergio.tosoni@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
Describe and discuss advanced methods for the synthesis of functional 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 growth from the melt, solution (low and high temperature) and vapor.
This course aims at contributing to the specific theoretical and experimental knowledge on the properties of inorganic materials, as well as their application to their synthesis and characterization. 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 completes the mandatory course Strategies for materials synthesis – Inorganic strategies for materials synthesis.
Knowledge and understanding: The course aims to develop a critical mindset focused on examining and understanding the typical processes for preparation of inorganic materials. Students will be enabled to confidently use concepts and interpretative tools for the topics discussed during the lectures.
Applying knowledge and understanding: By the end of the course, students will be proficient in concepts related to thermodynamics and kinetics applied to synthesis of varied types of inorganic materials, including exploitation of inorganic solids in industrial and research processes.
Making judgements: Through frequent interactions with students in class, the course will encourage the development of independent judgment.
Communication skills: the course aims to improve the communication skills. To this end, exams are performed with oral interaction between student and the instructors. Students are encouraged to focus on communication aspects during their learning process, with particular emphasis on technical and scientific language.
Learning skills: the course seeks to improve the learning abilities through the use of diverse teaching tools (lecture notes, movies, selected chapter of textbooks). The student will develop her/his learning skills by exploiting also the scientific literature, together with the communication skills, which will be evaluated during the exam.
Contents
Distribution of chemical elements within the Earth's crust and their extraction. 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.
Advanced definitions of acids and bases, acid/base properties of inorganic material, redox properties of inorganic materials, surface properties of inorganic materials.
Detailed program
Availability and distribution of chemical elements within the Earth's crust: environmental and technological issues for extraction of elements involved in synthesis of inorganic materials.
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 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
Surface Chemistry of inorganic materials: Differences in reactivity of various facets of inorganic materials. Effects of nanostructuring. Surface functionalization. Intercalation phenomena in layered 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
The course provides 24 two-hour lectures, in person (Delivered Didactics). Lectures will be given in English supported 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)
- 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)
Lecture handouts will be provided as pdf files uploaded on the e-learning platform.
Semester
1ˢᵗ semester, starting on September 2025
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 sergio.tosoni@unimib.it.
