Programma
Introduzione ai colloidi. Definizione di colloidi e loro catalogazione: aerosols, emulsioni, sospensioni colloidali, gels, dispersioni solide, colloidi di associazione, cristalli liquidi. I colloidi e la chimica fisica delle interfasi. Stabilità dei colloidi: forze interparticellari, le forze intermolecolari alla base delle interazioni interparticellari, forze di van der Waals e costante di Hamaker, influenza del mezzo solvente, interazioni elettrostatiche: il doppio strato elettrico, influenza di materiali adsorbiti sulla superficie delle particelle, adsorbimento reversibile, effetto di polimeri. Potenziale DLVO. Cenni sull’interesse dei colloidi nelle nanotecnologie. Applicazioni.
Diffusione traslazionale e proprietà dei colloidi. Effetti delle interazioni sui coefficienti di auto diffusione e di diffusione collettiva. Coefficiente di diffusione libera: equazione di Stokes-Einstein e raggio idrodinamico.
Risonanza magnetica nucleare in gradiente di campo magnetico pulsato. Richiami sui principi della risonanza magnetica nucleare. I tempi di rilassamento. Sequenza spin echo ed esperimento di Hahn. Sequenza spin echo ed esperimento di Hahn. Spin-echo in gradiente di campo magnetico pulsato: sequenze principali. Il coefficiente di auto diffusione. Polidispersione: valore medio e distribuzione dei coefficienti di diffusione. Applicazioni.
Dicroismo Circolare. Attività ottica. Origini fisiche del dicroismo circolare. Descrizione della strumentazione. Calcolo del dicroismo circolare di un dimero (exciton splitting). Il dicroismo circolare nelle proteine, acidi nucleici e aggregati supramolecolari. Calcoli semiempirici per la simulazione di spettri. Applicazioni.
Termodinamica Statistica- insiemi statistici di equilibrio (di Gibbs), media di insieme e nel tempo (principio ergodico), statistica di Boltzmann (riepilogo); la funzione di ripartizione canonica e quella molecolare, particelle distinguibili e indistinguibili, le funzioni termodinamiche e la funzione di ripartizione canonica, funzione di ripartizione di gas perfetto monoatomico e biatomico. Costante di equilibrio e funzioni di ripartizione. Teoria del complesso attivato (teoria di Eyring). Trattazione meccanico-statistica del solido perfetto (capacità termica a volume costante).
Equilibri conformazionali in polimeri: transizioni cooperative e non cooperative. Trattazione meccanico-statistica delle transizioni cooperative secondo il modello di Ising.
Prerequisiti
Prerequisiti necessari per una migliore capacità di apprendimento degli argomenti proposti nell'insegnamento di Chimica Fisica IV sono la termodinamica classica (i tre principi, equilibrio chimico, termodinamica delle soluzioni, transizioni di fase), la termodinamica statistica (principi, insieme statistici di equilibrio, funzione di ripartizione microcanonica e canonica, modello gas perfetto), la meccanica quantistica (principi, modelli semplici come oscillatore armonico, particella in una buca di potenziale, rotatore rigido, sistemi atomici e molecolari a singolo elettrone, cenni riguardo la risoluzione dell'equazione di Schrødinger per sistemi poli-elettronici), le spettroscopie classiche (vibrazionale, elettronica, di fluorescenza, di risonanza magnetica nucleare). Inoltre, lo studente deve avere familiarità con le conoscenze di base dell'analisi matematica (derivate e derivate parziali, differenziali, integrali ed equazioni differenziali, serie semplici) e della fisica (meccanica, elettrostatica ed elettromagnetismo).
Testi di riferimento
Essendo un insegnamento della laurea magistrale, non c'è un testo di riferimento. Sono consigliati:
1. Colloid Science: Principles, Methods and Applications, Seconda Edizione, Terence Cosgrove Editor, Wyley (raccolta di capitoli scritti da diversi autori)
2. Principles of Physical Biochemistry – Kensal E. van Holde, W. Curtis Johnson, P. Shing Ho, Seconda Edizione, Prentice Hall (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica)
3. Materiale proiettato a lezione
4. Lezioni in formato pdf (da programma bamboo paper)
5. Equilibrium Statistical Mechanics - F. C. Andrews, J. Wiley and Sons, INC (alcuni capotoli, testo fornito in pdf su Moodle)
6. Chimica Fisica - W. Moore, Piccin Editore (solo capitolo su Teoria di Eyring fornito in pdf da Moodle)
Modalità insegnamento
Il corso si sviluppa in settantasei ore di cui sessantaquattro frontali dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute, tecniche e metodologie di indagine dei sistemi dispersi) e dodici di esercitazioni, comunque frontali, in cui verranno proposti diversi sistemi di cui verranno discusse modalità e tecniche di studio. Inoltre, verranno presentati gli aspetti applicativi dei sistemi dispersi nel campo della scienza dei materiali e delle nanotecnologie.
Frequenza
La frequenza delle lezioni non è obbligatoria ma fortemente raccomandata
Modalità di esame
La valutazione avverrà attraverso una prova orale in cui lo studente dovrà discutere le proprietà chimico-fisiche delle soluzioni di colloidi e di polimeri, i modelli ad esse correlate, e le tecniche utilizzate per il loro studio (principi delle tecniche e metodologia di applicazione). Verrà valutata la capacità di analisi, di sintesi e chiarezza di espressione dello studente. Verranno discussi sistemi semplici, ma significativi, per valutare la capacità dello studente di inquadrarli nel giusto contesto e di scegliere le corrette metodologie di studio.
Inoltre, lo studente dovrà dimostrare di conoscere alcune applicazioni dei sistemi studiati nel campo della scienza dei materiali.
Bibliografia
Per approfondimenti:
1. Intermolecular and Surface Forces - Jacob N. Israelachvili, terza edizione, Elsevier (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica)
2. Biophysical Chemistry, secondo volume: Techniques for the Study of Biological Structure and Function, terzo volume: Transitions in polymers: Ising model – Charles R. Cantor, Paul R. Schimmel – W. H. Freeman and Company (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica)
3. Alcuni articoli pubblicati su riviste internazionali che verranno discussi durante le lezioni
Modalità di erogazione
Il corso si sviluppa in settantadue ore dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute, tecniche e metodologie di indagine dei sistemi dispersi).Verranno presentati gli aspetti applicativi dei sistemi dispersi nel campo della scienza dei materiali e delle nanotecnologie.