Ingegneria Meccanica

MARCO ROSSI
LIVIA ANGELONI

Nel corso di Fisica I vengono illustrati i principi fondamentali della meccanica classica, i concetti di forza, lavoro ed energia e, successivamente, il principio generale di conservazione dell’energia e le proprietà di evoluzione dei fenomeni naturali (primo e secondo principio della termodinamica).
Il corso ha i seguenti obiettivi formativi:
- introdurre alla metodologia di base del metodo scientifico e della misura;
- comprensione della meccanica classica del punto materiale;
- acquisizione e comprensione delle leggi e dei principi della dinamica e della statica dei corpi rigidi;
- acquisizione delle leggi fondamentali che regolano la statica dei fluidi;
- comprensione dei fenomeni oscillatori;
- acquisizione dei principi fondamentali della termodinamica.

Il corso si propone di introdurre le metodologie di base della Fisica Sperimentale con l'obiettivo formativo di sviluppare le capacità di identificazione degli aspetti essenziali dei fenomeni fisici e le abilità logico critiche che consentono di proporre e/o verificare modelli fenomenologici in grado di descriverli.
Il corso si prefigge l'obiettivo che al suo termine lo studente abbia acquisito (Descrittore di Dublino 1) le principali conoscenze di base della meccanica del punto, dei sistemi di punti e del corpo rigido, e abbia assimilato i fondamenti della termodinamica classica. Lo studente possiederà conoscenze approfondite sui principi di conservazione in fisica, sui campi di forze e loro specifiche proprietà e sui modelli elementari di trattazione dei sistemi meccanici complessi.

Dall'insieme di queste conoscenze, le principali abilità acquisite dallo studente (capacità di applicare le conoscenze acquisite, Descrittore di Dublino 2, e di adottare con autonomia di giudizio l'opportuno approccio, Descrittore di Dublino 3) consisteranno nella capacità di modellizzare fenomeni fisici anche complessi, abilità nell'esecuzione di esercizi e problemi e capacità di sviluppare autonomamente semplici dimostrazioni basate sull'estensione e l'applicazione delle conoscenze acquisite.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
Ci si aspetta che al termine del corso lo studente abbia appreso i fondamenti teorici e sperimentali della Fisica Classica, le sue leggi fondamentali e abbia acquisito la capacità di applicare le leggi della meccanica newtoniana e della termodinamica classica per risolvere problemi specifici.
Importanti e fondamentali risultati attesi sono la comprensione del metodo scientifico, della natura e delle modalità della ricerca in Fisica, e la capacità di esporre gli argomenti trattati durante il corso.

L'acquisizione degli obiettivi formativi identificati, permetterà agli studenti di disporre degli strumenti per interpretare e descrivere i problemi di interesse nelle discipline caratterizzanti.
I Risultati di apprendimento attesi si possono così riassumere:
Conoscenza e capacità di comprensione: acquisizione delle basi teoriche e sperimentali della meccanica e della termodinamica; comprensione critica delle loro leggi; avvio alla comprensione del metodo scientifico, della natura e delle modalità della ricerca in Fisica;
Applicazione pratica delle conoscenze acquisite: capacità di identificazione degli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario; capacità di applicazione delle leggi e delle teorie a situazioni concrete mediante la risoluzione di problemi.

I risultati di apprendimento attesi devono riflettere in via generale:
• la padronanza delle basi fisiche e strumentali delle microscopie e delle tecniche di nanocaratterizzazione;
• la capacità di analizzare, interpretare e correlare dati sperimentali con le proprietà strutturali e funzionali dei materiali;
• l’attitudine a un approccio critico, interdisciplinare e sostenibile alla ricerca e all’innovazione tecnologica.

Nel dettaglio, i risultati di apprendimento attesi riguarderanno quanto segue.

Per quanto riguarda le , gli/le allievi/e dovranno:
• conoscere i principi fisici alla base delle principali tecniche di microscopia e di nanocaratterizzazione (ottica, elettronica, a sonda di scansione, spettroscopiche e tomografiche);
• comprendere le relazioni tra struttura, morfologia e proprietà dei materiali su scala micro- e nanometrica;
• conoscere i limiti sperimentali, le potenzialità e i campi di applicazione di ciascuna tecnica, anche in ambiti interdisciplinari (biomateriali, dispositivi elettronici, materiali energetici, catalizzatori, ecc.).

Per quanto riguarda le , gli/le allievi/e dovranno:
• saper selezionare e applicare la tecnica di caratterizzazione più appropriata in funzione del materiale e dell’obiettivo sperimentale;
• saper utilizzare in modo consapevole strumenti di acquisizione e analisi dei dati, interpretando risultati quantitativi e immagini microscopiche;
• integrare informazioni provenienti da tecniche complementari per costruire una visione coerente delle proprietà del sistema investigato.

Per quanto riguarda l', gli/le allievi/e dovranno:
• valutare criticamente l’affidabilità e la significatività delle tecniche di microscopia e di nanocaratterizzazione individuate in funzione dell’obiettivo sperimentale;
• discutere scelte metodologiche in relazione all’impatto ambientale, alla sostenibilità dei processi e alla sicurezza nei laboratori.

Per quanto riguarda le , gli/le allievi/e dovranno:
• presentare e discutere in forma scritta e orale i risultati di caratterizzazione, utilizzando una terminologia tecnico-scientifica corretta e rigorosa;
• collaborare efficacemente in contesti di ricerca interdisciplinare e internazionale.

Per quanto riguarda la , gli/le allievi/e dovranno:
• acquisire un’autonomia crescente nell’identificare la corretta strumentazione da utilizzare e nella consultazione della letteratura scientifica;
• sviluppare la capacità di aggiornamento continuo rispetto all’evoluzione delle tecniche e delle applicazioni di nanocaratterizzazione, in coerenza con gli obiettivi dell’Agenda ONU 2030 per la sostenibilità e l’innovazione responsabile.

Non ci sono prerequisiti specifici diversi o complementari rispetto a quelli previsti per l'accesso alla Laurea Magistrale

Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)
Richiami ai principi fondamentali dell’ottica geometrica, con particolare attenzione ai concetti di propagazione dei fasci, messa a fuoco e formazione dell’immagine, applicati al comportamento degli elettroni all’interno di sistemi di lenti elettrostatiche ed elettromagnetiche. Descrizione dell’architettura di un microscopio elettronico a trasmissione e delle sue componenti principali (sorgente, colonne ottiche, condensatori, obiettivo e proiettive). Analisi dei meccanismi di interazione elettroni–materia e dei processi di formazione del contrasto, che determinano le diverse modalità di imaging in bright field, dark field e alta risoluzione (HRTEM). Studio dei meccanismi di contrasto di ampiezza e di fase, delle condizioni operative che li governano e della loro influenza sulla qualità dell’immagine. Introduzione ai principi generali della diffrazione, con approfondimento della diffrazione elettronica (SAED) per la determinazione di parametri cristallografici, orientazioni e simmetrie reticolari. Tecniche di analisi e trattamento delle immagini TEM, comprese le operazioni di filtraggio, trasformata di Fourier (FFT) e riconoscimento di difetti o periodicità locali, al fine di correlare quantitativamente morfologia, struttura e proprietà dei materiali. Criteri e procedure per la preparazione di campioni sottili, con particolare attenzione ai materiali isolanti o sensibili al fascio elettronico. Applicazioni in ambito industriale, biotecnologico, elettronico e dei materiali avanzati.

Microscopia Elettronica a Scansione (SEM)
Principi di funzionamento e architettura dello strumento; interazione elettroni-materia e generazione dei principali segnali (elettroni secondari, retrodiffusi, raggi X). Meccanismi di contrasto topografico e composizionale e loro interpretazione. Tecniche di imaging avanzato basate sulla catodoluminescenza (CL) per la caratterizzazione ottica e strutturale dei materiali. Criteri di preparazione dei campioni conduttivi e non conduttivi e accorgimenti per immagini ad alta risoluzione. Applicazioni nei materiali, nelle superfici e nelle nanotecnologie.

Microanalisi a Dispersione di Energia (EDS)
Principi di funzionamento e architettura dei rivelatori a dispersione di energia. Analisi qualitativa e quantitativa degli spettri X, procedure di calibrazione e validazione statistica. Applicazioni in TEM e SEM; limiti nella rivelazione di elementi leggeri, in tracce o in film sottili. Uso della EDS per composizione, omogeneità e distribuzioni elementari in materiali complessi.

Microscopie di Sonda a Scansione (SPM)
Architettura generale di un sistema a sonda. Microscopia a effetto tunnel (STM) e tecniche spettroscopiche associate per la caratterizzazione elettronica. Microscopia a forza atomica (AFM): principi e modalità (contatto, tapping, non-contatto, fase) con riferimento a rugosità, morfologia e mappatura di proprietà locali. Altre SPM e applicazioni quantitative/qualitative di superficie.

Tecniche Spettroscopiche Fotoniche
Principi e applicazioni della spettroscopia Raman e infrarossa (IR) per l’identificazione di fasi, gruppi funzionali, difetti e stress. Interpretazione degli spettri vibrazionali e regole di selezione. Complementarità Raman/IR nella caratterizzazione chimico-strutturale di materiali inorganici, polimerici e ibridi. Criteri di scelta in funzione del materiale, della risoluzione e della scala d’indagine.

Tecniche basate sull’uso dei raggi X
Principi fondamentali della diffrazione a raggi X (XRD) e basi cristallografiche; legge di Bragg, geometrie di diffrazione e analisi dei picchi per parametri reticolari, dimensione cristallina e tensioni residue. Metodi avanzati (X-ray reflectometry, texture) per caratterizzazione strutturale e superficiale. Principi della tomografia a raggi X (XCT): acquisizione, ricostruzione 3D e interpretazione volumetrica, con distinzione tra micro- e nano-tomografia. Integrazione tra XRD/XRR/XCT ed elettroniche per analisi multiscala e tridimensionale di struttura e morfologia. Applicazioni in ambito industriale, biomedico e dei materiali avanzati.

Casi di Studio
Esempi di uso integrato di microscopia elettronica, diffrazione, tomografia, microanalisi e spettroscopie per la caratterizzazione di materiali complessi. Approcci multi-tecnica e multiscala per correlare struttura, composizione e proprietà funzionali in sistemi di interesse tecnologico, industriale e biomedico.

- Materiale didattico distribuito dal docente.
- Handbook of microscopy for nanotechnology, Kluwer Academic Publishers.
- Transmission Electron Microscopy - David B. Williams e C. Barry Carter, Springer Verlag (2009)

S.Amelinckx, D. van Dyck, J. van Landuyt, G. van Tendeloo: Electron Microscopy:Principles and Fundamentals; VCH, 1997,

Ray F. Egerton: Physical Principles of Electron Microscopy. An Introduction to TEM, SEM, and AEM.; Springer 2005

V.L. Mironov: Fundamentals of scanning probe microscopy

Il corso è organizzato in lezioni frontali. Sono previste 90 ore di lezioni frontali inclusive di esempi di problemi di nanocaratterizzazione nei diversi campi applicativi.

La frequenza alle lezioni e alle esercitazioni in aula, anche se non obbligatoria, è fortemente consigliata.

L'esame si svolge mediante:
A) una prova scritta che deve vertere sugli aspetti fondamentali trattati durante il corso;
B) una tesina su una tematica di interesse dell'allievo in cui si sviluppino approfondimenti relativi allo stato dell'arte. Si consiglia di scegliere la tematica insieme ad un collega del corso e poi sviluppare due diversi approfondimenti della stessa tematica. La tesina può essere presentata, a scelta dell'allievo, o come elaborato scritto o come presentazione tramite slide.
C) una prova orale in cui verrà discussa la tesina e la prova scritta.

La prova scritta ha durata di 2.5 ore. Le domande mirano a verificare l'avvenuta acquisizione delle conoscenze e dei concetti discussi nel corso. Inoltre, le domande possono essere basate su un caso scientifico reale, chiedendo l’analisi del problema e la discussione di quali approcci lo studente proporrebbe. Il punteggio della prova scritta (in trentesimi) viene calcolato sulla base della qualità delle risposte date e serve come base per il punteggio finale assegnato dopo la prova orale, inclusiva della presentazione e/o discussione della tesina.

Nel complesso, la prova di esame ha lo scopo di valutare il livello che lo studente ha raggiunto nell'acquisire le competenze descritte negli obiettivi formativi, non solo da un punto di vista teorico ma anche in relazione alle simulazioni pratiche. Per stimolare la capacità di apprendimento e l’autonomia degli studenti, questi ultimi sono invitati a proporre e discutere ricerche bibliografiche supplementari. In questo modo, il docente verifica l’autonomi di giudizio e la capacità di proporre soluzioni ai problemi. Infine, saranno giudicate anche le capacità di comunicazione – sempre tenendo conto delle difficoltà che gli studenti potrebbero riscontrare nell’uso della lingua inglese.
In particolare, la valutazione finale comprenderà i seguenti fattori:
a) comprensione dei concetti trasmessi durante le lezioni, non solo dal punto di vista teorico ma anche in riferimento a situazioni pratiche “simulate” di problemi di caratterizzazione;
b) capacità di apprendere in autonomia;
c) capacità acribica in campo tecnologico e scientifico.
d) abilità comunicativa.

Traduci in inglese
Si riportano le domande più frequenti e tipiche, sia in sede di prova scritta che orale:
• Descrivere i principi di funzionamento di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e il ruolo dei principali elementi ottici (sorgente, condensatore, obiettivo, proiettive).
• Spiegare i meccanismi di contrasto di ampiezza e di fase nel TEM e come si ottengono immagini in bright field e dark field.
• Discutere le principali interazioni tra elettroni e materia nel TEM e le loro conseguenze sull’immagine e sulla diffrazione.
• Illustrare i principi fondamentali della diffrazione elettronica (ED) e come si possono determinare parametri cristallografici a partire da un pattern di diffrazione.
• Confrontare la diffrazione elettronica (ED) con la diffrazione a raggi X (XRD) in termini di principi fisici, profondità di analisi e tipo di informazione ottenibile.
• Descrivere la struttura e il principio di funzionamento di un microscopio elettronico a scansione (SEM), indicando i segnali generati e i relativi meccanismi di contrasto.
• Spiegare l’origine e l’utilizzo dei segnali di elettroni secondari e retrodiffusi nel SEM e in quali casi ciascuno fornisce informazioni più significative.
• Discutere i criteri principali per la preparazione dei campioni destinati a osservazioni SEM e TEM, indicando le problematiche legate a campioni isolanti o sensibili al fascio.
• Descrivere i principi della microscopia a effetto tunnel (STM) e come le curve I–V e dI/dV consentono la caratterizzazione elettronica dei materiali.
• Illustrare il funzionamento di un microscopio a forza atomica (AFM) e confrontare le modalità operative in contatto, tapping e non-contatto.
• Spiegare come l’AFM può essere utilizzato per misurare la rugosità superficiale e come i dati possano essere elaborati tramite analisi FFT o descrittori di forma.
• Descrivere i principi della microanalisi EDS, distinguendo tra analisi qualitativa e quantitativa, e discutere i limiti nella rilevazione di elementi leggeri o in tracce.
• Spiegare le principali fonti di errore in una misura EDS e come la statistica (tempo di acquisizione, numero di conteggi) influenzi l’accuratezza quantitativa.
• Illustrare i principi della Tomografia a raggi X (XCT), descrivendo le fasi di acquisizione, ricostruzione e visualizzazione 3D..
• Descrivere le principali tecniche di spettroscopia fotonica (Raman, fotoluminescenza, catodoluminescenza) e indicare quali proprietà dei materiali possono essere analizzate.
• Spiegare come le tecniche di analisi d’immagine permettono di estrarre informazioni quantitative sulla nanostruttura.
• Discutere come combinare tecniche diverse (SEM + EDS + XCT o TEM + ED + Raman) per ottenere una caratterizzazione completa di un materiale complesso.
• Descrivere il principio fisico della spettroscopia Raman, spiegando l’origine dello scattering anelastico e la differenza tra diffrazione Rayleigh e Raman.
• Spiegare come l’analisi Raman può essere utilizzata per identificare fasi cristalline, difetti strutturali o stress nei materiali, e discutere i principali limiti della tecnica.

• Settimane 1–6
  • Testi di riferimento:  Introduzione generale, principi fisici comuni e Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)


• Settimane 7–8
  • Testi di riferimento: Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) e Microanalisi a Dispersione di Energia (EDS)


• Settimane 9–12
  • Testi di riferimento: Microscopie di Sonda a Scansione (SPM) e Tecniche Spettroscopiche Fotoniche (Raman e Infrarosso)


• Settimana 13
  • Testi di riferimento: Tecniche basate sull’uso dei raggi X (XRD, XCT) e Casi di Studio integrati