Syllabus del corso
Obiettivi
Lo scopo del corso è introdurre le principali tecniche strumentali utilizzate nello studio mineralogico, con l’obiettivo di mettere in evidenza reazioni, transizioni di fase e aspetti della crescita cristallina, elementi fondamentali per la comprensione dei principali processi geologici e la progettazione di soluzioni per le principali emergenze ambientali. L’argomento riveste un interesse trasversale e può coinvolgere mineralisti, petrologi, geologi strutturali, paleontologi, geologi applicati e scienziati dei materiali. Verranno presentati casi di studio finalizzati alla comprensione e alla risoluzione di tematiche di ricerca scientifica fondamentale, come il ciclo del carbonio profondo, e di ricerca applicata alle problematiche ambientali, attraverso l’utilizzo delle tecniche illustrate durante il corso. Il percorso formativo si concluderà con la visita ai laboratori dove sono installate alcune grandi attrezzature e con la visita al sincrotrone di Grenoble.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente conosca la teoria e il funzionamento delle principali tecniche analitiche utilizzate nello studio dei minerali e dei materiali, con applicazioni sia nella ricerca fondamentale e applicata, sia nel mondo dell’industria e del lavoro.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente possieda le conoscenze di base per interpretare ed analizzare dati generati in contesti di ricerca fondamentale e di laboratorio.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente sia in grado individuare le tecniche diagnostiche adeguate per rispondere ad un quesito scientifico semplice.
Abilità comunicative
Al termine del corso ci si aspetta che lo studente abbia acquisito un vocabolario tecnico-analitico di laboratorio adeguato.
Capacità di apprendere
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito un metodo di apprendimento autonomo che gli permetterà di approfondire in modo critico e consapevole la mineralogia e la geologia, con competenze trasferibili anche ad altri ambiti scientifici, quali i laboratori per l’analisi dei materiali, le indagini ambientali e lo sviluppo tecnologico.
Contenuti sintetici
Il corso prevede delle lezioni frontali iniziali in cui verranno fornite allo studente le basi per comprendere gli argomenti trattati, e quindi un’introduzione alla interazione radiazione/materia, alla cristallografia, e alle tecniche spettroscopiche. Seguiranno lezioni sulle tecniche di microscopia elettronica a trasmissione e scansione di sonda, sulla diffrazione e sulle spettroscopie vibrazionali in condizioni ambiente e non-ambiente. La parte centrale del corso illustrerà le applicazioni di queste tecniche a casi di studio di ricerca fondamentale ed applica a problematiche ambientali. La parte finale del corso prevede la partecipazione a sessioni pratiche con il microscopio elettronico a scansione e a trasmissione, la diffrazione a raggi X e la spettroscopia Raman. È inoltre prevista la visita ad una grande sorgente di luce di sincrotrone.
Programma esteso
Lezioni frontali (4 CFU, 28 ore)
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Nozioni di base (Campione)
1.1. Strutture cristalline e reticolo reciproco
1.2. Interazione radiazione materia
1.2.1. Interazioni elastiche ed anelastiche -
Introduzione alla spettroscopia (Cerantola)
2.1. Spettrometri dall’infrarosso all’ultravioletto
2.2. Principi di meccanica quantistica
2.2.1. Background storico
2.2.2. I postulati della meccanica quantistica
2.2.3. Principio di indeterminazione di Heisenberg
2.2.4. Gli orbitali
2.3. Teoria del campo cristallino e spettroscopia ottica
2.3.1. Principi di teoria del campo cristallino
2.3.2. Telerilevamento delle superfici planetarie
2.3.3. Crystal field spectra of Fe2+ in minerals
2.3.4. Fluorescenza
2.3.5. Charge-transfer-bands
2.4. Spettroscopia vibrazionale
2.4.1. Principi di spettroscopia vibrazionale
2.4.2. Vibrazioni dei gruppi OH-
2.4.3. Vibrazioni di piccole molecole
2.4.4. Vibrazioni nei cristalli
2.4.5. Proprietà termodinamiche nella spettroscopia vibrazionale -
Tecniche microscopiche
3.1. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) (Capitani)
3.1.1. Immagini in elettroni secondari (SE) e retrodiffusi (BSE)
3.1.2. Diffrazione di elettroni retrodiffusi (EBSD)
3.1.3. Microanalisi con sistema a dispersione di energia (EDS) e di lunghezza d’onda (WDS)
3.2. Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) (Capitani)
3.2.1. Immagini in campo chiaro (BF) e campo scuro (DF)
3.2.2. Immagini in alta risoluzione (HRTEM)
3.2.3. Diffrazione in selezione d’area (SAED)
3.3. Microscopie a scansione di sonda (Campione)
3.3.1. Segnali di interesse per la misurazione della topografia superficiale e delle proprietà di superficie
3.3.2. Microscopia a scansione di forza (AFM)
3.3.3. Microscopia a scansione di effetto tunnel (STM)
3.3.4. Cenni ad altre modalità -
Introduzione alla luce di sincrotrone (Cerantola)
4.1. Introduzione alla luce di sincrotrone
4.1.1. Storia dei sincrotroni e delle grandi sorgenti
4.1.2. Funzionamento e componenti
4.2. Diffrazione a raggi X (XRD)
4.2.1. Diffrazione di polveri in condizioni ambiente e non ambiente
4.2.2. Rietveld refinement
4.3. Spettroscopie vibrazionali in condizioni ambiente a non ambiente
4.3.1. Spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS)
4.3.2. Spettroscopia di emissione di raggi X (XES)
4.3.3. Spettroscopia Mössbauer (SMS)
Esercitazioni (1 CFU, 12 ore)
Uso al PC di programmi di visualizzazione, analisi dati (compresi quelli provenienti dai database cristallografici ICSD e CSD), e image processing come:
- Esprit, DigitalMicrograph, VisualElectronCristallography (VEC) (Capitani)
- General Structure Analysis Software (GSAS II) (Cerantola)
- WSXM, Gwiddion, Mercury (Campione)
- SYNCMoss (Cerantola)
Laboratori (1 CFU, 12 ore)
- Sessione pratica sul SEM Zeiss Gemini 500 (Capitani)
- Sessione pratica sul TEM Jeol 2100P (Capitani)
- Sessione pratica al Laboratorio Raman (Cerantola)
- Visita ad una grande sorgente (Sincrotrone, Grenoble)
Prerequisiti
Non è prevista nessuna propedeuticità, sebbene sia raccomandabile abbinare questo corso agli altri a carattere minero-petrografico (e.g., Petrogenesi degli ambienti geodinamici, Deformazione e metamorfismo dei margini convergenti, Mineralogia industriale e ambientale, Geochimica Isotopica, Geocronologia e Geochimica della Terra Solida).
Modalità didattica
Il corso presenta ore di didattica frontale (4 CFU, 28 ore) da seguire in aula in cui verranno spiegati gli aspetti più teorici della materia ed illustrati alcuni casi di studio. Esercitazioni in aula informatica (1 CFU, 12 ore) in cui lo studente userà in prima persona i programmi di analisi dati, visualizzazione dati e image handling. Infine il corso prevede ore di laboratorio (1 CFU, 12 ore) in cui lo studente assisterà in maniera partecipata allo svolgimento di alcune analisi strumentali.
Materiale didattico
Oltre alle dispense del corso tratte dall'esperienza personale del docente, i libri consigliati per approfondire gli argomenti trattati sono:
Andrew Putnis “Introduction to Mineral Sciences”. Cambridge University Press.
Mineral and reactions at the atomic scale: Transmission electron microscopy. Reviews in Mineralogy, 27, Mineralogical Society of America.
Nanoscopic approaches in Earth and Planetary Sciences. EMU Notes in Mineralogy 8. European Mineralogical Union.
Minerals at the nanoscale. EMU notes in Mineralogy 14. European Mineralogical Union.
V. Mironov “Fundamentals of Scanning Probe Microscopy”.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre del primo anno della magistrale, generalmente dall'inizio di Marzo alla fine di Maggio, con una pausa di una settimana o due nel periodo pasquale.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La modalità di verifica e valutazione comprende:
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lo sviluppo di un caso di studio originale (breve tesi scritta) a partire da un interesse personale (non necessariamente legato all’attività di tesi di laurea), anche ipotetico, che includa alcune delle tecniche e tematiche discusse a lezione. Gli argomenti inerenti a questa attività vanno concordati con i docenti entro la fine dell’attività didattica frontale.
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colloquio orale sul progetto e sugli argomenti trattati a lezione.
La presentazione del progetto scritto vale fino a 18 punti.
La preparazione dello studente sulle tematiche trattate a lezione verrà determinata durante il colloquio orale fino ad un massimo di 12 punti.
La valutazione complessiva terrà conto della chiarezza espositiva, della capacità di sintesi, della correttezza scientifica, nonché della capacità di collegare aspetti teorici e applicativi delle tecniche mineralogiche studiate. Verrà inoltre apprezzata l’originalità dell’approccio e la capacità di impostare in modo critico un problema di ricerca, anche interdisciplinare.
Il superamento del corso richiede il raggiungimento di una valutazione complessiva pari ad almeno 18/30.
Orario di ricevimento
Tutti i giorni lavorativi della settimana negli orari di ufficio, previo appuntamento, compatibilmente con gli impegni fuori sede del docente, degli impegni istituzionali in sede.
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to introduce the main instrumental techniques used in mineralogical studies, with the objective of highlighting reactions, phase transitions, and aspects of crystal growth—key elements for understanding major geological processes and for designing solutions to pressing environmental challenges. The topic is of broad interdisciplinary interest and may appeal to mineralogists, petrologists, structural geologists, paleontologists, applied geologists and materials scientists. Case studies will be presented to address both fundamental research questions, such as the deep carbon cycle, and applied research related to environmental issues, through the use of the techniques covered during the course. The training program will conclude with visits to laboratories housing large-scale analytical instruments and a visit to the synchrotron facility in Grenoble.
Knowledge and understanding
By the end of the course, students are expected to understand the theory and functioning of the main analytical techniques used in the study of minerals and materials, with applications in both fundamental and applied research as well as in industry and the workforce.
Applying knowledge and understanding
By the end of the course, students are expected to possess the basic knowledge required to interpret and analyze data generated in laboratory and research contexts.
Making judgements
By the end of the course, students are expected to be able to identify the most appropriate diagnostic techniques to address a simple scientific question.
Communication skills
By the end of the course, students are expected to have acquired an appropriate technical and analytical laboratory vocabulary.
Learning skills
By the end of the course, students will have developed an autonomous learning method, enabling them to deepen their understanding of mineralogy and geology in a critical and informed way. These skills will also be transferable to other scientific fields, such as materials analysis laboratories, environmental investigations, and technological development.
Contents
The course will begin with introductory lectures aimed at providing students with the foundational knowledge needed to understand the topics covered. These include an introduction to radiation–matter interaction, crystallography, and spectroscopic techniques. Subsequent lectures will focus on transmission and scanning probe electron microscopy techniques, diffraction methods, and vibrational spectroscopies, both under ambient and non-ambient conditions. The central part of the course will illustrate the application of these techniques to case studies in both fundamental research and environmental issues. The final part of the course will involve hands-on sessions using scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. A visit to a major synchrotron light source is also planned.
Detailed program
Lectures (4 ECTS, 28 hours)
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Introductory concepts (Campione)
1.1. Crystal structures and reciprocal lattice
1.2. Radiation–matter interaction
1.2.1. Elastic and inelastic interactions -
Introduction to Spectroscopy (Cerantola)
2.1. Spectrometers from infrared to ultraviolet
2.2. Principles of quantum mechanics
2.2.1. Historical background
2.2.2. The postulates of quantum mechanics
2.2.3. Heisenberg’s uncertainty principle
2.2.4. Atomic orbitals
2.3. Crystal field theory and optical spectroscopy
2.3.1. Fundamentals of crystal field theory
2.3.2. Remote sensing of planetary surfaces
2.3.3. Crystal field spectra of Fe2+ in minerals
2.3.4. Fluorescence
2.3.5. Charge-transfer bands
2.4. Vibrational spectroscopy
2.4.1. Principles of vibrational spectroscopy
2.4.2. Vibrations of OH⁻ groups
2.4.3. Vibrations of small molecules
2.4.4. Vibrations in crystals
2.4.5. Thermodynamic properties in vibrational spectroscopy -
Microscopy Techniques
3.1. Scanning Electron Microscopy (SEM) (Capitani)
3.1.1. Secondary electron (SE) and backscattered electron (BSE) imaging
3.1.2. Electron backscatter diffraction (EBSD)
3.1.3. Microanalysis with energy-dispersive (EDS) and wavelength-dispersive (WDS) systems
3.2. Transmission Electron Microscopy (TEM) (Capitani)
3.2.1. Bright-field (BF) and dark-field (DF) imaging
3.2.2. High-resolution imaging (HRTEM)
3.2.3. Selected-area electron diffraction (SAED)
3.3. Scanning Probe Microscopy (Campione)
3.3.1. Surface topography and surface properties for signal detection
3.3.2. Atomic force microscopy (AFM)
3.3.3. Scanning tunneling microscopy (STM)
3.3.4. Overview of other modalities -
Introduction to Synchrotron Radiation (Cerantola)
4.1. Principles of Synchrotron radiation
4.1.1. History of synchrotrons and large-scale facilities
4.1.2. Working principles and components
4.2. X-ray diffraction (XRD)
4.2.1. Powder diffraction under ambient and non-ambient conditions
4.2.2. Rietveld refinement
4.3. Vibrational spectroscopies under ambient and non-ambient conditions
4.3.1. X-ray absorption spectroscopy (XAS)
4.3.2. X-ray emission spectroscopy (XES)
4.3.3. Synchrotron Mössbauer spectroscopy (SMS)
Hands-on Exercises (1 ECTS, 12 hours)
Computer-based sessions using software for data visualization, analysis (including data from crystallographic databases such as ICSD and CSD), and image processing:
- Esprit, DigitalMicrograph, VisualElectronCrystallography (VEC) (Capitani)
- General Structure Analysis Software (GSAS II) (Cerantola)
- WSXM, Gwyddion, Mercury (Campione)
- SYNCMoss (Cerantola)
Laboratory Sessions (1 ECTS, 12 hours)
- Practical session on the SEM Zeiss Gemini 500 (Capitani)
- Practical session on the TEM Jeol 2100P (Capitani)
- Practical session in the Raman Laboratory (Cerantola)
- Visit to a large-scale facility (Synchrotron, Grenoble)
Prerequisites
There are no formal prerequisites for this course, although it is recommended to take it in conjunction with other mineralogy and petrology-related courses (e.g., Petrogenesis of Geodynamic Settings, Deformation and Metamorphism of Convergent Margins, Industrial and Environmental Mineralogy, Isotopic Geochemistry, Geochronology and Geochemistry of the Solid Earth).
Teaching form
The course includes in-class lectures (4 ECTS, 28 hours) during which the theoretical aspects will be explained and selected case studies will be presented. It also features hands-on sessions at the computer (1 ECTS, 12 hours), where students will directly use software for data analysis, data visualization, and image handling. Finally, the course includes laboratory sessions (1 ECTS, 12 hours), where students will actively participate in instrumental measurements and analyses.
Textbook and teaching resource
Lectures notes derived from the personal experience of the teacher will be made available. Recommended additional readings:
Andrew Putnis “Introduction to Mineral Sciences”. Cambridge University Press.
Mineral and reactions at the atomic scale: Transmission electron microscopy. Reviews in Mineralogy, 27, Mineralogical Society of America.
Nanoscopic approaches in Earth and Planetary Sciences. EMU Notes in Mineralogy 8. European Mineralogical Union.
Minerals at the nanoscale. EMU notes in Mineralogy 14. European Mineralogical Union.
Victor L. Mironov "Fundamentals of scanning probe microscopy" (http://ipmras.ru/~Mironov/SPM_textbook.html)
Semester
Second semester, first year, usually from the beginning of March to the end of May with a week of break (or more) during Easter holidays.
Assessment method
Assessment and evaluation methods include:
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The development of an original case study (a short written thesis), based on a personal interest (not necessarily related to the student’s Master's thesis), including hypothetical scenarios. The project must incorporate some of the techniques and topics discussed during the course. Topics must be agreed upon with the professors by the end of the lecture period.
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an oral examination focusing on both the project and the topics covered in class.
The written project is worth up to 18 points.
The student’s understanding of the course content will be assessed during the oral exam for a maximum of 12 points.
The overall evaluation will consider clarity of presentation, synthesis skills, scientific accuracy, and the ability to connect theoretical and applied aspects of the studied mineralogical techniques. Originality of approach and the ability to critically frame a research problem, including interdisciplinary perspectives, will also be valued.
To pass the course, students must achieve a final score of at least 18 out of 30.
Office hours
All working days, by appointment, consistently with the off-site teacher's commitments, institutional commitments, and with the exception of summer, Christmas and Easter holidays.
Sustainable Development Goals
Staff
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Marcello Campione
-
Giancarlo Capitani
-
Valerio Cerantola
