CHIMICA FISICA DELLE SUPERFICI ED INTERFACCE

Gli studenti, sulla base delle conoscenze fenomenologiche e modelli teorici di base termodinamici e di forze intermolecolari, dovranno essere in grado di identificare, riconoscere e analizzare (qualitativamente e quantitativamente) i fenomeni e processi che avvengono o sono governati dalle proprietà di superfici ed interfacce in fasi condensate, con particolare riferimento alle interfacce fluido-fluido e fluido-solido.

• Conoscenza e capacità di comprensione applicate: 

Gli studenti dovranno essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a fenomeni rilevanti come i processi di nucleazione e crescita, i sistemi colloidali, i processi di adesione ed adsorbimento di molecole e macromolecole, nonchè i processi bagnabilità e infine, i processi di strutturazione e proprietà di interfacce cariche per processi elettrodici.

• Autonomia di giudizio: 

Si propongono elementi di valutazione molteplice per rendere gli studenti capaci valutare autonomamente la pertinenza e l'applicabilità delle diverse metodiche di analisi apprese nel corso a diverse applicazioni rilevanti per ambiente, manifatturiero, energetica e salute, e scegliere autonomamente possibili strategie o campi di applicazione (case models).

• Abilità comunicative:

Gli studenti potranno sviluppare abilità comunicative sia per la presentazione frontale che per la sintesi di argomenti complessi. 

• Capacità di apprendimento: 

Gli studenti svilupperanno la loro capacità di apprendimento in modo specifico, mettendo in connessione i diversi aspetti teorici fra di loro e con i relativi aspetti fenomenologici e valutando criticamente il grado di generalità delle asserzioni relative.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

Il corso prevede interamente lezioni frontali in aula con esercizi per meglio comprendere l'applicazione pratica delle leggi e dei modelli studiati.

- Nozioni di base di elettrostatica: Campi e potenziali elettrici, forze coulombiane, distribuzioni di carica notevoli.

- Nozioni di base di calcolo differenziale e integrale: campo di esistenza di una funzione, derivate, integrali definiti e indefiniti, serie e sviluppi in serie, semplici equazioni differenziali del primo e secondo ordine.

- Nozioni di base di proprietà colligative di soluzioni, pH, forza ionica, etc...

- Proprietà di funzionali termodinamici: energia libera di Helmholtz, di Gibbs, entropia, energia interna e principali relazioni termodinamiche

È richiesta la frequenza ad almeno il 70 % delle lezioni, ed in particolare alle lezioni relative alle forze intermolecolari, funzionali di energia libera di interfaccia e relativi modelli di tensione superficiale, proprietà di superficie, superfici cariche, bagnabilità, adesione e adsorbimento su interfacce solido-liquido, solido-gas e liquido-gas.

Introduzione alla chimica fisica delle interfacce e della materia "soft" -  Interfacce: definizione e proprietà  - Modelli di Gibbs e di Guggenheim -  Correlazioni Proprietà-spessore - Definizione operazionale di Tensione Interfacciale -  Carattere e valori caratteristici di Tensione Superficiale di fluidi.

Superfici di liquidi curve - Equazione di Young-Laplace - Sistemi a curvatura mista e costante di capillarità - Conseguenze ulteriori dell’equaz. di Young-Laplace - Equazione di Kelvin - Casi notevoli - Derivazione dell’equaz. di Kelvin -  Eq. di Kelvin e Dimensioni critiche di stabilità - Elementi per una teoria della nucleazione - Energetica di processi di nucleazione : Interfacce liquido-vapore - Processi di condensazione e raggio critico - Processi di nucleazione: Interfacce liquido-solido: Sottoraffreddamento e solidificazione - Meccanismo di nucleazione omogenea: raggio critico di nucleazione - Barriera di attivazione di nucleazione - Stabilità e Instabilità di fronti di solidificazione: fluttuazioni termiche.

Termodinamica delle superfici ed interfacce I - I funzionali di energia – Applicazione dei funzionali di energia alle interfacce – Definizione termodinamica di lavoro di superficie e tensione superficiale - Energia di interfaccia – Equazione di adsorbimento di Gibbs -

Termodinamica delle superfici ed interfacce II – Tensione superficiale e composizione in sistemi miscibili – Caso delle soluzioni acquose – Surfactanti: comportamento caratteristico e relazioni fra struttura molecolare e tensione superficiale - Monostrati di Gibbs e pressione laterale di un film superficiale - Tecniche di misura di π: Metodo di Wilhelmy, Metodo del “Film Balance” – Correlazione area molecolare/pressione laterale: Modelli del “gas ideale bidimensionale” e del “gas reale bidimensionale” - Adsorbimento da fase vapore su liquido.

Termodinamica delle superfici ed interfacce III – Principio di “Independent Surface Action”- Orientazione molecolare e lavoro adesivo e coesivo – Tensione superficiale di serie omologhe di composti organici in acqua – Film di Langmuir-Blodgett – Stati “gas-like” e stati “liquid-like”: equazioni di stato, transizioni di fase e equaz. di Clausius-Clapeyron – Stati condensati.

Termodinamica delle superfici ed interfacce IV – Spargimento di liquido su liquido: liquidi quasi immiscibili - Energetica del processo di spargimento e definizione del coefficiente di spreading – Comportamenti transienti – Spargimento di liquidi su  solidi: “bagnabilità di una superficie” – Meccanismi di “wetting” – Energetica del processo di bagnamento per “spreading”: equazione di Young e pressione di spargimento – Modello di Fowkes: contributi polari e apolari – Bagnabilità per spargimento, per adesione e per immersione.  

Forze intermolecolari I – Energie di interazione di molecole isolate nello spazio – Potenziale di interazione e modello a sfere rigide – Potenziale di interazione di molecole in un mezzo – Potenziale di forza media – Energia molare coesiva di un liquido semplice e funzioni di distribuzione della densità – Distribuzione di Boltzmann - Distribuzione di molecole in sistemi all’equilibrio – Il termine kT e la scala di riferimento delle forze di interazione – Distribuzione di stati orientazionali

Forze intermolecolari II – Classificazione delle forze intermolecolari – Forze di tipo elettrostatico – Energia libera di un legame colombiano – Self-energy ed Energia di Born di uno ione – Trasferimento di ioni fra mezzi di diversa costante dielettrica – Solubilità di ioni in solventi diversi – Self-energy ed Energia di Born di un dipolo – Interazioni ione-dipolo – Ioni in solventi polari – Interazioni dipolo-dipolo 

Forze intermolecolari III – Interazioni dipendenti dalla polarizzabilità – Effetti della polarizzabilità elettronica – Effetti della polarizzabilità orientazionale – Interazione ione-molecola neutra – Energia libera di interazione ione-dipolo indotto – Teorie continue e proprietà molecolari – Interazioni dipolo – dipolo indotto: Interazioni di Debye  e di Keesom 

Forze intermolecolari IV – Forze quantomeccaniche: Interazioni di dispersione (Forze di London) -  Modello semiquantitativo.

Interfacce solido-liquido elettricamente cariche - Classi di potenziale elettrico - Modelli del Doppio Strato elettrico: Modelli del mezzo continuo - Modello di Gouy-Chapman - Superfici planari: potenziale di superficie piccolo ed Equaz. di Poisson-Boltzmann linearizzata - Lunghezza di Debye ed effetti di schermaggio - Potenziale di superficie grande ed equazione di Poisson-Boltzmann completa - Modelli discreti: Modelli semplice e complesso di Stern - Energia libera di Gibbs di un doppio strato elettrico di Gouy-Chapman - Potenziale elettrocinetico.  

Dispersioni Colloidali – Definizione di dispersioni colloidali – Fattori di stabilizzazione di colloidi – Stabilizzazione per effetti elettrostatici – Modello di Gouy-Chapman – Modello di Stern – Stabilizzazione per effetti sterici – Stabilizzazione per “ancoraggio” di oligomeri alla superfici

Biointerfacce - Energia libera di superfici e biocompatibilità – Altri parametri di biocompatibilità: effetti della nanostrutturazione -  Ancoraggio di biomolecole e proteine su superfici – Interazioni cellula-superficie.

1 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.I-VI

2 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-IV

3 : Appunti del Docente

L'esame consiste in una prova orale, riguardante esclusivamente gli argomenti trattati a lezione. Elementi di valutazione fondamentali della preparazione dello studente la correttezza degli enunciati, la dimostrata comprensione dei procedimenti di derivazione dei principali risultati, la correttezza delle equazioni discusse, la proprietà di linguaggio scientifico. Sono considerati come ulteriori e auspicabili aspetti di validità della preparazione la coerenza logica dei concetti esposti e la capacità di correlare formulazioni teoriche ed esperimenti.

Tipi di forze intermolecolari e forma del relativo potenziale.

Energie libera di superficie e sue applicazioni.

Proprietà di interfacce cariche.

Monostrati di Gibbs.

Struttura e proprietà di bio-interfacce.

Proprietà di sistemi ad alta dispersione.

Equazione di Young e bagnabilità di superfici.

Processi di adsorbimento da soluzioni su superfici solide.