Course Syllabus
Obiettivi
Le proprietà macroscopiche dei materiali polimerici dipendono fortemente dalla natura chimica e dai trattamenti fisici e chimici, a partire dall'approccio sintetico, e dalla presenza nel materiale di opportuni additivi.
Il corso si propone di introdurre le strategie fondamentali per la realizzazione di materiali polimerici e come modulare le proprietà macroscopiche (termiche e meccaniche) variando l'architettura delle catene polimeriche. Particolare enfasi sarà data alle relazioni struttura-proprietà nei polimeri amorfi e semicristallini.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze su:
• principali metodi di sintesi convenzionali
• strategie sintetiche di ultima generazioneper la realizzazione di polimeri innovativi
• relazioni proprietà-struttura in polimeri amorfi e semicristallini.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al temine del corso lo studente sarà in grado di descrivere i principali approcci di sintesi per modulare le proprietà dei polimeri per usi scientifici e applicativi.
Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di orientarsi nel campo dei polimeri sia in termini di struttura chimica, metodi di sintesi convenzionali ed innovativi e proprietà dei materiali polimerici.
Abilità comunicative
Lo studente saprà esprimere i temi approfonditi durante il corso con proprietà di linguaggio idonee alla scienza dei polimeri.
Capacità di apprendere
Lo studente potrà applicare le conoscenze acquisite durante il corso per la comprensione della letteratura scientifica e brevettuale nell'ambito dei materiali polimerici innovativi.
Contenuti sintetici
Il corso si concentra sugli aspetti rilevanti della scienza dei polimeri in termini di architettura macromolecolare; delle principali strategie sintetiche per il controllo della struttura e topologia dei polimeri, della massa molecolare e distribuzione; e delle relazioni proprietà-struttura.
Le proprietà in soluzione e in massa dei polimeri saranno descritte mediante alcuni metodi di caratterizzazione, evidenziando l'impatto della microstruttura del polimero sulle prestazioni dei materiali. Verranno inoltre affrontati temi speciali sui polimeri a cristalli liquidi, sulle resine termoindurenti e sui polimeri sostenibili.
Programma esteso
- Le varie classi di polimeri e la loro struttura chimica, inclusi polimeri reticolati, copolimeri, miscele e compositi polimerici.
- Strategie sintetiche per controllare con precisione la struttura macromolecolare, inclusa la composizione della catena, la microstruttura, la funzionalità e la topologia.
- Polimeri termoplastici, polimeri termoindurenti, elastomeri ed elastomeri termoplastici.
- Stati di aggregazione nei polimeri.
- Principali proprietà e transizioni di polimeri amorfi e semicristallini e loro dipendenza dai principali parametri, quali massa molecolare e distribuzione.
- Impatto della stereochimica e del grado d'ordine sulle proprietà termiche e meccaniche dei polimeri.
- Relazioni fondamentali struttura-proprietà-prestazioni nei materiali polimerici.
- Copolimeri: metodi di sintesi, strutture e interfacce.
- Sintesi di polimeri tridimensionali e dendrimeri.
- Poliolefine e processo Spheripol per la crescita del polimero con mantenimento della morfologia.
- Polimeri sostenibili: polimeri da fonti rinnovabili, biodegradabili e biocompatibili (il caso studio del PLA)
- Polimeri allo stato liquido cristallino.
- Polimeri autoriparanti.
- Resine termoindurenti e compositi polimerici.
- Metodi di caratterizzazione di macromolecole in soluzione e allo stato solido.
Prerequisiti
La chimica dei materiali richiede un approccio interdisciplinare che sfrutti la chimica generale e inorganica, organica, macromolecolare e fisica (termodinamica ed equilibri chimici).
È richiesta una solida base interdisciplinare, che includa:
Chimica generale e inorganica
Chimica organica
Chimica fisica (termodinamica ed equilibri chimici)
Modalità didattica
Le lezioni frontali saranno svolte in inglese.
24 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa.
Materiale didattico
- Lucidi del docente (presentazioni power point a supporto dell'attività didattica)
- Walton, D. J., Lorimer, J. P. (2023). Polymers. Regno Unito: Oxford University Press.
- Polymer Chemistry Koltzenburg, S.; Maskos, M.; Nuyken, O. ; Springer: Berlin, Germany, 2017.
- Principle of Polymerization, (4th edition) G. Odian, 2004 John Wiley & Sons, Inc.
- Polymer Chemistry” (Second Edition) P.C. Hiemenz, T.P. Lodge, CRC Press, 2017.
- Articoli tratti dalla letteratura scientifica.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno, Primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Il voto finale del corso "Strategie per la Sintesi dei Materiali" è un punteggio derivato dai tre moduli (Organica, Inorganica e Macromolecolare).
Criteri di valutazione complessivi:
La valutazione avviene tramite esami orali per ciascun modulo. Il voto finale del corso complessivo di Strategie per la Sintesi dei Materiali è calcolato come la media dei voti ottenuti nei suoi tre moduli costitutivi:
Strategie per la Sintesi di Materiali Inorganici
Strategie per la Sintesi di Materiali Organici
Strategie per la Sintesi di Materiali Macromolecolari
Durante l’esame, allo studente verrà richiesto di rispondere a 3–4 domande nell’arco di circa 20 minuti. Una di queste domande riguarderà un argomento a scelta dello studente. Le restanti domande verteranno sui contenuti trattati a lezione, con l’obiettivo di valutare la capacità di rielaborare i concetti. Gli studenti saranno incoraggiati a riflettere sul possibile utilizzo delle conoscenze in esempi pratici/applicazioni (problem solving).
L’esame orale prevede la valutazione delle conoscenze acquisite dallo studente nel campo della scienza dei polimeri, con particolare attenzione alla sintesi, alla struttura e alle proprietà dei polimeri. Saranno inoltre valutate l’autonomia di analisi e di giudizio, nonché le capacità espositive.
Criteri di valutazione:
18–21 (Sufficiente): Comprensione di base dei concetti; è in grado di identificare metodi sintetici comuni ma ha difficoltà nella selezione/applicazione; limitata capacità di collegare la sintesi alle specifiche proprietà dei materiali.
22–24 (Buono): Comprensione chiara dei metodi sintetici e delle loro caratteristiche; è in grado di selezionare approcci appropriati per materiali standard; miglior utilizzo della terminologia scientifica.
25–27 (Molto buono): Solida e autonoma padronanza delle strategie sintetiche; è in grado di giustificare efficacemente le scelte metodologiche; comunicazione sicura di idee complesse e risultati della letteratura.
28–30 e lode (Eccellente): Padronanza eccezionale; è in grado di elaborare strategie efficienti per materiali complessi/innovativi; dimostra capacità critiche avanzate e abilità di integrare le conoscenze in una progettazione sintetica coerente.
Orario di ricevimento
Si riceve su appuntamento. (silvia.bracco@unimib.it)
Sustainable Development Goals
Aims
The macroscopic properties of polymeric materials strongly depend on the chemical nature and on the physical and chemical treatments, starting from the synthetic approach, and on the presence in the material of suitable additives.
The course aims to introduce the fundamental strategies for the realization of polymeric materials and how to modulate the macroscopic properties (thermal and mechanical) by varying the architecture of the polymer chains. Particular emphasis will be given to property-structure relationships in amorphous and semi-crystalline polymers.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have acquired knowledge on:
• main conventional synthesis methods
• latest generation of synthetic strategies for the production of innovative polymers
• property-structure relationships in amorphous and semi-crystalline polymers.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student will be able to describe the main synthetic approaches to modulate the properties of polymers for scientific and applicative uses.
Making judgments
The student will be able to orient himself in the field of polymers both in terms of chemical structure, conventional and innovative synthesis methods, and in terms of properties of polymeric materials.
Communication skills
The student will be able to express the topics covered during the course with language skills suitable for polymer science.
Learning skills
The student will be able to apply the knowledge acquired during the course to understand the topics dealt with in the scientific and patent literature in the field of innovative polymeric materials.
Contents
The course focuses on the relevant aspects of polymer science in terms of macromolecular architecture; main synthetic tools to control polymer structure and topology, molecular mass and distribution; and property-structure relationships.
The solution and bulk-phase properties of polymers will be described by means of some characterization methods, highlighting the impact of the polymer microstructure on the performance of the materials. Special topics on liquid crystal polymers, thermosetting resins and sustainable polymers will also be addressed.
Detailed program
- Various classes of polymers and their chemical structure, including cross-linked polymers, copolymers, blends and polymeric composites.
- Synthetic tools to precisely control macromolecular structure including chain composition, microstructure, functionality, and topology.
- Thermoplastic polymers, thermosetting polymers, elastomers, and termoplastic elastomers.
- Aggregation states in polymers.
- Main properties and transitions of amorphous and semicrystalline polymers and their dependence on the main parameters, such as molecular mass and distribution.
- Impact of stereochemistry and degree of order on thermal and mechanical properties of polymers
- Fundamental structure-property-performance relationships in polymeric materials.
- Copolymers: synthesis methods, structures and interfaces
- Synthesis of three-dimensional polymers and dendrimes
- Polyolefins and Spheripol process for polymer growth with morphology retention.
- Sustainable polymers: polymers from renewable sources, biodegradable and biocompatible (the case study of PLA)
- Polymers in the liquid crystalline state.
- Self-healing polymers.
Synthesis of polycarbonates from CO₂ (case study) - Macromolecular characterization methods in solution and in the solid state.
Prerequisites
Chemistry of materials requires an interdisciplinary approach that draws on general and inorganic, organic, macromolecular, and physical chemistry (thermodynamics and chemical equilibria).
A strong interdisciplinary background is required, including:
General and Inorganic Chemistry
Organic Chemistry
Physical Chemistry (Thermodynamics and Chemical Equilibria)
Teaching form
The lessons will be delivered in English.
24 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics.
Textbook and teaching resource
- Notes provided by the professor (power point presentations to support teaching activities)
- Polymers, Walton, D. J., Lorimer, J. P. (2001). Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press.
- Polymer Chemistry Koltzenburg, S.; Maskos, M.; Nuyken, O. ; Springer: Berlin, Germany, 2017.
- Principle of Polymerization, (4th edition) G. Odian, 2004 John Wiley & Sons, Inc.
- Polymer Chemistry” (Second Edition) P.C. Hiemenz, T.P. Lodge, CRC Press, 2017.
- Articles from the scientific literature.
Semester
1st year, 1st semester.
Assessment method
The final mark for "Strategies for Materials Synthesis" is a composite score derived from the three modules (Organic, Inorganic, and Macromolecular).
Overall Evaluation Criteria:
The assessment is conducted via oral examinations for each module. The final grade is an average of the overall Strategies for Materials Synthesis course is calculated as the average of the marks obtained in its three constituent modules:
Inorganic Strategies for Materials Synthesis
Organic Strategies for Materials Synthesis
Macromolecular Strategies for Materials Synthesis
During the exam, the student will be required to answer 3–4 questions over a duration of approximately 20 minutes. One of these questions will be on a topic of the student's choice. The remaining questions will focus on the topics covered during the lectures with the aim to assess the ability to rearrange the concepts. Students will be encouraged to think about the possible use of their notions in practical examples/applications (problem solving).
The oral exam consists of the evaluation of the knowledge acquired by the student in the field of polymer science, with particular attention to the synthesis, structure and properties of polymers. The autonomy of analysis and judgment, and the ability of exposure will be evaluated.
The evaluation criteria are as follows:
18-21 (Sufficient): Basic understanding of concepts; can identify common synthetic methods but struggles with selection/application; limited ability to link synthesis to specific material properties.
22-24 (Good): Clear understanding of synthetic methods and their features; can select appropriate approaches for standard materials; improved use of scientific terminology.
25-27 (Very Good): Strong, autonomous grasp of synthetic strategies; effective at justifying methodology choices; confident communication of complex ideas and literature findings.
28-30 Honors (Excellent): Exceptional mastery; can devise efficient strategies for complex/novel materials; demonstrates sophisticated critical thinking and the ability to integrate knowledge into a coherent synthetic design.
Office hours
By appointment. (silvia.bracco@unimib.it)
