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FRANCESCO MUNIZ MIRANDA

Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. B
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche - Sede Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche

Insegnamento: Metodi chimico-fisici per la caratterizzazione dei materiali

Chimica (D.M.270/04) (Offerta formativa 2023)

Obiettivi formativi

Questo corso dà agli studenti della Laurea in Chimica conoscenze di base su alcune tecniche spettroscopiche usate per caratterizzare e studiare molecole e materiali innovativi, incluse le superfici. In particolare, verranno spiegati i principi fisici su cui queste tecniche si basano ed i loro differenti limiti di applicabilità.
Il corso dà agli studenti i fondamenti teorici per analizzare, comprendere e fare proprie le spettroscopie di risonanza di spin e di superficie, e la consapevolezza di quali informazioni estrarre da esse ed a quale scopo.
Si rimanda alla lettura dei "risultati di apprendimento" per una più completa comprensione degli obiettivi formativi.

Prerequisiti

Conoscenza dei principi della meccanica quantistica come da corso di Chimica Fisica II. Conoscenza di base della struttura elettronica dei composti di coordinazione come da corso di Chimica Inorganica I.

Programma del corso

3 CFU (circa 24 ore): Introduzione elementare alla spettroscopia. Radiazione come sonda delle proprietà di materiali e superfici. Esempi di problemi tratti dalla scienza dei materiali e delle superifici.
Introduzione alle spettroscopie di risonanza di spin. Esperimento di Stern-Gerlach. Spin elettronico e spin nucleare. Bosoni e fermioni. Accoppiamento spin-orbita. Introduzione alla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Vettore di magnetizzazione. Frequenza di Larmor. Rilassamento. Equazioni di Bloch e hamiltoniano di Spin. Probabilità di transizione. Chemical-shift. Accoppiamenti scalari spin-spin. Nuclei chimicamente e magneticamente equivalenti. Trasformata di Fourier. Strumenti in trasformata di Fourier. Nuclear Overhauser Effect (NOE). Tempi di rilassamento: T1 e T2. Sequenze di impulsi. Cenni di spettroscopia NMR bidimensionale.
Applicazioni alla determinazione strutturale di materiali: NMR di solidi. NMR di vetri. NMR di nuclei inorganici, come silicio 29, fosforo 31, alluminio 27, sodio 23, litio 7 e 6.
Introduzione alla spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) e al magnetismo molecolare. Splitting nucleare iperfine. Costante g. Anisotropia di g. Larghezza di riga e tempi di vita. Comportamento magnetico della materia: diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo, antiferromagnetismo. Equazione di Van Vleck. Sistemi a basso ed alto spin. Accoppiamento iperfine e zero-field-splitting. Spettri EPR dei metalli della prima serie di transizione.

2 CFU (circa 16 ore): Introduzione alle spettroscopie per lo studio delle superfici. Isoterme di adsorbimento su superficie. Spettroscopie di fotoelettroni: UPS, XPS. Spettroscopia di elettroni Auger (AES). Spettroscopie di assorbimento di raggi-X: EXAFS e XANES. Microscopia: Scanning Tunneling Microscopy (STM) e Atomic Force Microscopy (AFM). Spettroscopia Raman amplificata dalle superfici (SERS): “single molecule sensitivity”.

1 CFU (circa 12 ore): Esercitazioni di laboratorio presso il Centro Grandi strumenti dell’Ateneo (NMR, EPR) e/o presso l’Università degli Studi di Firenze, Dipartimento di Chimica “Ugo Schiff” (SERS) e/o uso di software per la simulazione ed interpretazione di spettri NMR ed EPR.

Metodi didattici

Lezioni frontali svolte in presenza con l'ausilio di sistemi multimediali, integrate da discussioni collegiali. Le lezioni del corso e le discussioni sono tenute in italiano. Qualora l’emergenza Covid lo rendesse necessario, le lezioni verranno svolte a distanza in modo sincrono (streaming) oppure, in caso di difficoltà tecniche, in modo asincrono (registrate). La frequenza alle lezioni frontali non è obbligatoria. Lezioni dimostrative in laboratorio tenute in compresenza con tecnici abilitati all’uso della strumentazione presso il laboratorio CIGS (NMR, EPR, Microscopia) e/o presso l’Università degli Studi di Firenze (SERS) e/o in laboratorio informatico per l’uso di software per il calcolo e l’interpretazione di spettri.

Testi di riferimento

• "Physical Methods for Chemists", Russel S. Drago, Surfside Scientific Publishers.
• “An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES”, John F. Watts, John Wolstenholme, John Wiley & Sons Ltd.
• “Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance”, Malcolm H. Levitt, Wiley
• “Principles of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and Related Plasmonic Effects”, Eric Le Ru, Pablo Etchegoin, Elsevier

Le dispense utilizzate dal docente nel corso delle lezioni frontali saranno disponibili nella directory TEAMS relativa all’insegnamento del corso “Metodi chimico-fisici per la caratterizzazione dei materiali”.

Slides used by the lecturer during the face-to-face lectures will be available in the TEAMS directory related to the teaching of the course “Metodi chimico-fisici per la caratterizzazione dei materiali”.

Verifica dell'apprendimento

Esame orale costituito dall’esposizione da parte dello studente di una panoramica su uno degli argomenti trattati durante il corso (a sua scelta), seguita da due domande relative alle restanti tecniche spettroscopiche. In ogni caso, durante l’esame lo studente esporrà almeno una spettroscopia di risonanza di spin (NMR o EPR) e almeno una spettroscopia di superficie, a sua scelta o su richiesta del docente. La prova di esame si svolge in lingua italiana e potrà essere svolta in presenza o a distanza a seconda dell'evoluzione della situazione COVID19. Il punteggio finale (in trentesimi) viene calcolato applicando i seguenti criteri: livello delle conoscenze chimico-fisiche acquisite (30%), capacità di applicare le conoscenze chimico-fisiche acquisite (30%), capacità di formulare giudizi indipendenti (30%) e capacità di comunicare in modo chiaro e corretto i concetti chimico-fisici (10%).

Risultati attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:
- principi fisici dell’interazione radiazione-materia;
- effetto del campo magnetico e suo accoppiamento con i momenti angolari;
- capire l’origine fisica della risonanza magnetica nucleare ed elettronica;
- descrivere i metodi spettroscopici usabili per indagare una superficie;
- avere padronanza del lessico scientifico necessario a descrivere i fenomeni presentati del corso.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- saper interpretare semplici spettri NMR ed EPR, sfruttando elementari osservazioni di simmetria;
- saper individuare la tecnica spettroscopica più opportuna, tra quelle presentate, per indagare uno specifico materiale di una certa composizione;
- discutere ed analizzare le capacità ed i limiti di ciascuna tecnica spettroscopica a seconda del tipo di informazione che si desidera ottenere.

Autonomia di giudizio:
- valutare in autonomia i punti chiave di un argomento;
- valutare in autonomia e criticamente la correttezza dei concetti appresi;
- sostenere una discussione sensata e costruttiva sui concetti appresi.

Abilità comunicative:
- sapersi esprimere correttamente in un contesto scientifico, enunciando i concetti appresi con linguaggio appropriato e sostenendo una discussione in merito agli argomenti trattati.

Capacità di apprendimento:
- fornire la comprensione dei fondamenti di base della materia e la capacità di aggiornarsi al riguardo in modo autonomo.