La superficie rappresenta contemporaneamente sia il modo di apparire del corpo sia il tramite attraverso cui il corpo realizza le interazioni chimiche, fisiche e meccaniche con gli 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. Il corso 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 es., progettare la modifica della superficie dei 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 l'abilità di identificare i fenomeni relativi agli strati superficiali e subsuperficiali di un materiale, conoscere gli aspetti teorici di tale fenomeno, esaminare i parametri che lo governano e, dove possibile, progettare modifiche della superficie per contrastarlo o sfruttarlo in modo efficace. Si desidera rendere l'allievo capace di modellare i fenomeni superficiali a livello teorico, dove possibile, con leggi ed equazioni matematiche. Inoltre, il corso ha 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.
Quindi 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 il corso, 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 teorie e i procedimenti di calcolo che consentono di prevedere e valutare la resistenza meccanica di una particolare selezione di componenti delle macchine; gli argomenti sono scelti in quanto capaci di mettere in evidenza un esauriente spettro di metodi e casi rappresentativi delle principali classi di problemi che si incontrano nell'attività dell'ingegnere.
- Introduzione al corso. Definizioni e generalità sulla struttura e sulle proprietà chimiche delle superfici. (2 ore)
- Adsorbimento. Fisisorbimento e Chemisorbimento. Modello di Langmuir. Definizione e misura della superficie specifica. Modello BET. (4 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, diamante); (3 ore)
- METALLICI (chemisorbimento; superfici estese e metalli dispersi; effetto del supporto su metalli dispersi); (2 ore)
- IONICI e IONICO-COVALENTI (MgO, Al2O3). (2 ore)
- Superfici interne di solidi nanoporosi: (3 ore)
- ZEOLITI, ARGILLE, MATERIALI A MESOPOROSITA' ORDINATA.
- Applicazioni:
- ADSORBIMENTO e SEPARAZIONE: generalità ed esempi (separazione di gas). (2 ore)
- CATALISI ETEROGENEA: generalità ed esempi (sintesi dell'ammoniaca). (2 ore)
- Definizione, concetto di superficie e teoria delle ricostruzioni superficiali. (4 ore)
- Tecnologie del vuoto per la preparazione e il trattamento di superficie. (4 ore)
- Quadro generale delle tecniche di caratterizzazione di superfici (composizione, struttura,-morfologia, struttura elettronica): analisi composizionale: tecniche spettroscopiche di fotoemissione, analisi composizionale: tecnica SIMS e tecniche nucleari, analisi strutturale (channeling, diffrazione di elettroni), analisi morfologica (microscopie ottiche elettroniche e a sonda). (8 ore)
- Tecniche di trattamento di superfici e di deposizione di film sottili. Tecniche di funzionalizzazione di superfici e relative caratterizzazioni. Interazione delle molecole con le superfici. Le superfici nei dispositivi MEMS e NEMS. (10 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 (lez. 4 ore)
- Generazione di tensioni residue nelle operazioni tecnologiche e relative ripercussioni in esercizio; natura microscopica della generazione di attrito nei materiali (lez. 4 ore)
- Lubrificazione e Lubrificanti (lez. 2 ore)
- Meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, per fatica di contatto (lez. 6 ore)
- Corrosione dei materiali metallici, fatica termica, interazione chimica con atmosfere particolari di processo (lez. 2 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 ' (lez. 10 ore)
- Analisi di casi specifici di degradazione superficiale e metodi di protezione (2 ore)

E' prevista una visita nei laboratori della sede di Alessandria del Politecnico di Torino, con spiegazione delle tecniche di caratterizzazione della resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica termica. Nell'ambito della visita si svolgono brevi prove di usura dimostrative del modo di funzionamento delle diverse macchine e della procedura di prova. La durata della esperienza di laboratorio è di 4 ore.

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.
Lezioni: le dispense (in italiano), stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all'insegnamento sul portale della didattica.

Esiste il solo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese (v. sopra) tramite lo svolgimento di un colloquio orale.
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.