La superficie rappresenta sia il modo di apparire di un corpo sia il tramite attraverso cui un corpo interagisce chimicamente, fisicamente e meccanicamente con altri corpi solidi, liquidi e gassosi. L'insegnamento si propone l'obiettivo di fornire le conoscenze relative ai fenomeni di tipo chimico, fisico, termico e meccanico che coinvolgono la superficie, intesa sia come interfaccia con l'ambiente circostante sia come insieme di strati superficiali di un materiale in cui le proprietà sono diverse da quelle della sua porzione interna. L'insegnamento intende inoltre conferire le competenze che permettano la manipolazione delle tecnologie appropriate per ottenere, in modo efficace dal punto di vista economico, adeguate e specifiche proprietà superficiali. Ciò significa, per esempio, progettare modifiche di superfici di solidi al fine di: migliorarne l'estetica; aumentare la durabilità dell'oggetto; poter utilizzare per il substrato materiali poco costosi, modificando la sola porzione superficiale dell'oggetto; ottenere proprietà specifiche e diverse da quelle dell'interno del materiale.

L'obiettivo è di sviluppare nell'allievo la comprensione dei fenomeni relativi agli strati superficiali e subsuperficiali di un materiale, la conoscenza degli aspetti teorici dei fenomeni di superficie e, dove possibile, la capacita' di progettare specifiche modifiche della superficie. Si desidera rendere l'allievo capace di modellare i fenomeni superficiali a livello teorico, anche attraverso l'utilizzo di leggi ed equazioni matematiche. L'insegnamento ha inoltre l'obiettivo di permettere ai futuri ingeneri di gestire le criticità relative ai possibili fenomeni di danneggiamento o deterioramento delle proprietà superficiali, e, sulla base delle finalità di applicazione in esercizio dei vari componenti, di selezionare un opportuno trattamento di modificazione superficiale. Per questa ultima finalità si forniranno agli allievi le competenze atte a eseguire un confronto critico tra le varie tecniche di trattamento e una identificazione dei parametri di processo che permettano di ottimizzare una particolare tecnica per la specifica applicazione. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni meccaniche fra le superfici dei corpi (meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni chimiche e termiche fra le superfici dei corpi (modi generali di corrosione, contatto con particolari atmosfere di processo, fatica termica, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - derivare dalle sollecitazioni che i componenti subiranno in esercizio le scelte dei possibili materiali da utilizzare per la loro costruzione e/o dei possibili trattamenti di modificazione superficiale da applicare - selezionare criticamente i trattamenti oltre che sulla base dei vincoli posti dall'esercizio finale a cui i componenti sono destinati anche sulla base dei limiti imposti, ad esempio, dalla forma e peso dei componenti,dalle produttività richieste, dalla necessità di non alterare con la temperatura alcune caratteristiche del materiale massivo, dal costo del processo, necessità di modificare superfici esposte o parzialmente coperte (es. fori o sottosquadri), impatto ambientale, ecc. - applicare i trattamenti di modificazione superficiale al miglioramento degli aspetti decorativi, di resistenza meccanica e alle specifiche richieste funzionali. Ai fini dell'autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica: - creare matrici di confronto fra i diversi trattamenti di modificazione superficiali identificando i vari parametri di giudizio (es. temperatura operativa sul pezzo, tipo di materiali che si possono depositare, limitazioni geometriche al trattamento, costi di processo, produttività, particolari atmosfere di processo, spessori delle modifiche superficiali introdotte, ecc.). - scomporre in fenomeni degradativi (meccaniche e corrosive) elementari le sollecitazioni subite in esercizio da particolari componenti. - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese. Queste conoscenze e abilità vengono acquisite attraverso lo studio di alcuni casi concreti analizzati durante l'insegnamento, che vengono proposti in quanto esemplari, ovvero rilevanti per le applicazioni tecniche e adatti a introdurre la gamma di metodi che nel complesso l'ingegnere dei materiali deve padroneggiare.

L'allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le proprietà generali dei materiali metallici, ceramici e polimerici, le nozioni di base di meccanica razionale e quelle relative alle proprietà meccaniche dei materiali, le caratteristiche dei trattamenti in temperatura massivi di materiali metallici e ceramici.

Oggetto di insegnamento sono le tecniche sperimentali e i procedimenti di calcolo che consentono di prevedere e valutare le proprietà chimico-fisiche, meccaniche e termiche delle superfici dei materiali. Gli argomenti sono scelti in modo da mettere in evidenza un esauriente spettro di metodi e casi rappresentativi delle principali classi di problemi che si incontrano nell'attività dell'ingegnere. - Introduzione alla chimica, fisica ed ingegneria delle superfici. (2 ore) - Definizione di superficie. Rilassamento e ricostruzione delle superfici. (4 ore) - Tecnologie del vuoto per la preparazione e il trattamento di superficie. (2 ore) - Tecniche di caratterizzazione cristallografica di superfici: Reticolo Reciproco e LEED. (4 ore) - Tecniche di caratterizzazione chimica di superfici: spettroscopia di fotoemissione, spettroscopia Auger, tecnica EELS. (10 ore) - Analisi morfologica (microscopie a sonda). (3 ore) - Adsorbimento. Fisisorbimento e Chemisorbimento. Modello di Langmuir. Modello BET e misura dell’area superficiale specifica. (3 ore) - Proprietà acido-base delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - Proprietà idrofiliche e idrofobiche delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - La spettroscopia infrarossa dell'adsorbimento di molecole sonda nella caratterizzazione delle superfici. (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi COVALENTI (silice, carboni attivi). (3 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi METALLICI (chemisorbimento; superfici estese e metalli dispersi; effetto del supporto su metalli dispersi). (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi IONICI e IONICO-COVALENTI (MgO, Al2O3). (2 ore) - Superfici interne di solidi nanoporosi: ZEOLITI. (2 ore) - Applicazioni in CATALISI ETEROGENEA (generalità, sintesi dell'ammoniaca) e ADSORBIMENTO e SEPARAZIONE (generalità, separazione di ossigeno e azoto dall’aria). (2 ore) - Riepilogo del concetto di superficie fisica, meccanica, tecnologica e fisico-chimica, delle caratteristiche geometriche della superficie, dei fenomeni relativi al contatto fra le superfici e delle alterazioni che derivano da tale contatto. (4 ore) - Generazione di tensioni residue nelle operazioni tecnologiche e relative ripercussioni in esercizio; natura microscopica della generazione di attrito nei materiali. (4 ore) - Lubrificazione e Lubrificanti. (2 ore) - Meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, per fatica di contatto. (6 ore) - Metodi di protezione da usura e corrosione: trattamenti di modificazione superficiale -processi meccanici, processi termochimici, elettrodeposizione, processi fisici e chimici da fase vapore, termospruzzatura. (8 ore) - Analisi di casi specifici di degradazione superficiale e metodi di protezione. (2 ore) - Laboratorio sperimentale: modifica e caratterizzazione di superfici. (9 ore)

L'insegnamento prevede lezioni teoriche, esercitazioni in aula ed esercitazioni di laboratorio. Le lezioni di esercitazione in aula, della durata di circa dieci ore, consistono nella risoluzione di alcuni esercizi numerici o nell'analisi di aspetti applicativi della scienza delle superfici. Per ogni studente le esercitazioni di laboratorio hanno una durata di nove ore. L'esperienza di laboratorio consiste nell’applicazione di un metodo di modifica superficiale e nella caratterizzazione chimico-fisica della superficie modificata con metodi di indagine appresi durante le lezioni teoriche. Durante lo svolgimento del laboratorio gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi e, alla fine dell’esperienza, dovranno redigere una relazione di gruppo. A coloro i quali non potranno svolgere il laboratorio in presenza saranno forniti i dati necessari per redigere la relazione scritta in autonomia.

Poiché questo modulo di insegnamento è una particolare sintesi di molti aspetti della chimica, fisica e ingegneria delle superfici è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. Per alcuni argomenti specifici relativi ai fenomeni di usura si fa riferimento al seguente testo: G. Straffelini "Attrito e usura", Ed. Tecniche Nuove, Milano, 2005. Le diapositive utilizzate durante le lezioni, vengono messe a disposizione degli studenti iscritti all'insegnamento sul portale della didattica.

Slides; Libro di testo;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Exam: Compulsory oral exam;

... L’esame finale consiste in un colloquio orale volto ad accertare l'acquisizione dei risultati dell'apprendimento. Al fine di verificare in modo rigoroso il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l'acquisizione delle conoscenze e capacità di comprensione e delle capacità di applicarle, la verifica si articola in domande di diversa natura: conoscenza specifica di fenomeni inerenti la superficie e dei trattamenti di modificazione superficiale, esecuzione di confronti tra diverse tecnologie di modificazione superficiale mettendo in evidenza i parametri distintivi e le potenziali applicazioni. Il voto massimo che si potrà ottenere nell’esame orale è di 28/30. A tale voto sarà aggiunto il punteggio della relazione di laboratorio (minimo zero, massimo quattro punti). La relazione di laboratorio concorre all’ottenimento della lode. Il punteggio minimo per poter passare l’esame orale è di 18/30, indipendentemente dal punteggio ottenuto nella relazione di laboratorio.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.