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 e sistemi redox-flow. 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
Letture guidate di lavori di letteratura di elevata rilevanza.
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.
Prerequisiti
I materiali a base molecolare richiedono un approccio interdisciplinare. Elementi di
• Scienza dei materiali
• Chimica organica
• Chimica inorganica
• Chimica fisica
Modalità didattica
Insegnamento con differenti modalità didattiche:
18 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
3 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.
Materiale didattico
Libri di testo:
- Introduction to Organic Electronic and Optoelectronic Materials and Devices. Sam-Shajing Sun and Larry R. Dalton (editors), 2017, Taylor & Francis Group
- Molecular Electronics: From Principles to Practice. Michael C. Petty, 2007, John Wiley & Sons
- Rechargeable Organic Batteries: Materials, Mechanisms, and Prospects. Yongzhu Fu, Xiang Li, Shuai Tang, Wei Guo, 2024 WILEY-VCH GmbH
Slides annotate (su Moodle).
Registrazioni delle lezioni (su Moodle).
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre (Marzo-Giugno)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
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.
Votazione < 18
Votazione insufficiente; non raggiunto il livello minimo di preparazione.
Votazione 18-21
Preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, capacità di elaborazione critica limitata.
Votazione 22-24
Preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma limitata, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta.
Votazione 25-27
Preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare.
Votazione 28-30L
Preparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata.
Orario di ricevimento
9:30-12:30, su appountamento.
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 and redox-flow systems. Elements of organic materials for bioimaging and photodynamic therapy.
Detailed program
The course is organized into classroom activities, guided reading activities, and interactive classroom activities based on molecular design analysis.
•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
Guided readings activites of relevant literature works.
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.
Prerequisites
Molecular based materials require an interdisciplinary approach. Elements of
•Materials science
•Organic chemistry
•Inorganic chemistry
•Physical chemistry
Teaching form
Teaching with different teaching approaches:
18 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
3 two-hour practical classes in person in delivered mode in the initial part aimed at involving students interactively in the next part. Mixed teaching.
Textbook and teaching resource
Textbooks:
- Introduction to Organic Electronic and Optoelectronic Materials and Devices. Sam-Shajing Sun and Larry R. Dalton (editors), 2017, Taylor & Francis Group
- Molecular Electronics: From Principles to Practice. Michael C. Petty, 2007, John Wiley & Sons
- Rechargeable Organic Batteries: Materials, Mechanisms, and Prospects. Yongzhu Fu, Xiang Li, Shuai Tang, Wei Guo, 2024 WILEY-VCH GmbH
Annotated slides (on Moodle)
Registration of standard classes (on Moodle)
Semester
Second semester (March-June)
Assessment method
INTERVIEW ON THE TOPICS DEVELOPED IN LESSONS ON THE EXAM TEXTS.
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.
Grade < 18
Insufficient grade; minimum level of preparation not reached.
Score 18-21
Preparation on a limited number of topics from the course syllabus, with poor ability to discuss and analyze independently which only emerge in the oral exam as a result of the Lecturer's help and questions; presentation skills occasionally uncertain, vocabulary not always clear and accurate, sometimes incorrect, with very limited critical elaboration.
Score 22-24
Preparation on a good number of topics from the course syllabus, although not homogeneous, with sufficient ability to discuss and analyze independently, sometimes prompted by the Lecturer's questions; presentation skills sufficiently clear, generally correct vocabulary, although sometimes not accurate or clear, limited critical elaboration capabilities.
Score 25-27
Preparation on a wide range of topics covering the course syllabus, ability to conduct discussions and critical analysis with good autonomy and ability to apply knowledge to real cases, use of correct vocabulary and competence in the use of disciplinary language.
Score 28-30L
Complete and exhaustive preparation on the subjects of the course syllabus, ability to independently discuss and critically analyze the principal topics, ability to connect themes to real cases and to different contexts and disciplines, excellent capacity for critical and independent thinking, full mastery of disciplinary vocabulary, rigorous and articulate presentation skills, argumentation skills.
Office hours
9:30-12:30, on appointment.
