La prima parte del corso consiste in una introduzione alla chimica fisica dei sistemi finemente dispersi. Tali sistemi sono ampiamente utilizzati sia nella ingegneria di processo (trattamenti ambientali, chimica delle formulazioni, sintesi di pigmenti e catalizzatori), sia nella produzione di diverse tipologie di materiali (biomateriali, ceramici, polimeri e soft matter).
I meccanismi che regolano le trasformazioni dello stato disperso risentono della sua elevata energia superficiale e il loro studio richiede un metodo e una tecnica particolare, capace di legare la struttura molecolare microscopica della zona interfacciale alle proprietà macroscopiche globali del sistema. La trattazione inizierà pertanto dalla modellazione macroscopica, utilizzata per descrivere la meccanica e la termodinamica dell'interfaccia, e poi evolverà verso gli aspetti legati alla scale più piccole: struttura dell'interfaccia e forze superficiali. Sarà inoltre introdotto il formalismo del bilancio di popolazione per predire l'evoluzione di una fase dispersa.
La seconda parte del corso è relativa alla applicazione di metodi molecolari per la predizione di proprietà di sistemi fluidi. In questo parte vengono introdotti i fondamenti della meccanica statistica e quantistica e descritti i principali metodi di predizione delle proprietà termodinamiche e di trasporto basati sulla analisi della struttura atomica e molecolare delle sostanze.

Il corso si propone nella prima parte di fornire le competenze per comprendere i principali fenomeni che hanno luogo nei sistemi finemente dispersi per poterne prevederne quantitativamente il comportamento ed essere in grado di determinarne l'evoluzione. Nella seconda parte sono invece introdotti i rudimenti dei codici di calcolo per la stima di proprietà di trasporto ed equilibrio a partire dalla struttura molecolare dei componenti.
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:
- comprendere i principali fenomeni che influenzano la dinamica dei sistemi dispersi;
- individuare i metodi più adatti per rendere stabile/instabile una micro o nano dispersione in funzione del tipo di applicazione e della natura delle fasi presenti;
- conoscere i principali meccanismi evolutivi di una dispersione e sapere come agire per controllare o modificare la distribuzione granulometrica e la morfologia della fase dispersa.
- risolvere l’equazione di Schrodinger per sistemi semplici e determinare i livelli energetici ammessi (per le energie traslazionali, rotazioni, vibrazionali ed elettroniche)
- utilizzare gli strumenti della meccanica statistica (ad es. funzione di partizione) per ricavare le equazioni di stato di sistemi semplici ideali (gas ideali) e reali (ad es. Van der Waals).

Lo studente deve possedere una cultura scientifica solida, con particolare riferimento a conoscenze di base nel settore della Chimica, Fisica, Termodinamica e Analisi matematica.

Parte 1: Chimica fisica dei sistemi dispersi (60 ore)
1: Meccanica e termodinamica dell'interfaccia (20 ore)
Tensione interfacciale, equazione di Young-Laplace, risalita capillare, angolo di contatto; adsorbimento e relazione di Gibbs; equazione di Kelvin e condensazione capillare; effetti dinamici sulla tensione superficiale e sull'angolo di contatto. Tensioattivi e micelle.
2: Struttura dell'interfaccia solido-liquido e doppio strato elettrico (15 ore)
Meccanismi di generazione della carica superficiale; distribuzione degli ioni e della carica elettrica; potenziale Z e fenomeni elettrocinetici
3: Forze interfacciali nei sistemi dispersi (15 ore)
Forze di Van der Waals; Forze elettriche di doppio strato; Stabilizzazione elettrostatica delle sospensioni colloidali e teoria DLVO; Aggregazione-coalescenza: cinetica e meccanismi (browniano, per moto di taglio; turbolento, per inerzia); Stabilizzazione sterica; Forze strutturali; Forze capillari
4: Evoluzione di un sistema disperso (10 ore)
Nucleazione: primaria omogenea ed eterogenea; secondaria. Accrescimento e dissoluzione. Introduzione al metodo del bilancio di popolazione: caratterizzazione di una popolazione; equazioni di bilancio; meccanismi di evoluzione.

Parte 2: Struttura molecolare e proprietà (40 ore)
1: Richiami di fisica classica (8 ore)
Formalismo Hamiltoniano e Lagrangiano, principio di azione minima, meccanica delle onde e soluzione dell’equazione di delle onde per una caso semplice
2: Richiami di meccanica quantistica (14 ore)
Equazione di Schrödinger stazionaria, funzioni d'onda, particle in a box (1D, 2D, 3D), energie traslazionali, rotazionali e vibrazionali delle molecole. Tunneling ed altri effetti quantistici. Struttura elettronica, orbitali e sistema periodico. Metodo di calcolo quantistici moderni.
3: Elementi di termodinamica e meccanica statistica (18 ore)
Ensemble canonico, distribuzione degli stati molecolari e funzione di partizione. Sistemi ideali e gas perfetti. Relazione con la termodinamica classica. Definizione di entropia tramite molteplicità: equazione di Boltzmann. Sistemi reali e funzione di partizione configurazionale. Studio di sistemi reali tramite dinamica molecolare.

Esercitazioni di calcolo sugli argomenti sviluppati a lezione.
Scrittura e uso di semplici codici di calcolo per la soluzione di problemi quanto meccanici e di dinamica molecolare. Calcolo di proprietà di trasporto (diffusività, conducibilità e viscosità) tramite codici di dinamica molecolare per un fluido di Lennard-Jones.

Sono elencati alcuni libri di riferimento. I docenti indicheranno di volta in volta l'opportuna bibliografia.
H.J. Butt, K. Graf, M. Kappl, Physics and Chemistry of Interfaces, Wiley-VCH.
J.C. Berg, An Introduction to Interfaces and Colloids: The Bridge to Nanoscience, World Scientific.
P.C. Hiemenz, R. Rajagopalan, Principles of Colloid and Surface Chemistry, CRC Press.
J.W. Mullin, Crystallization, Butterworth.
Hill, T.L., Introduzione alla Termodinamica Statistica, Piccin.
Frenkel, Smit, Understanding Molecular Simulation, Academic Press
Levine, Physical Chemistry, McGraw-Hill.

L'esame consiste di una prova scritta della durata di due ore senza l'uso di appunti o di libri. Tale prova consiste di quesiti teorici, per verificare la conoscenza di base degli argomenti esposti nel corso, e di un certo numero di esercizi numerici, che hanno lo scopo di stabilire la capacità dello studente di eseguire calcoli applicativi. Superato lo scritto, lo studente può decidere di concludere l'esame (in questo caso il voto massimo ottenibile è 27/30) oppure sostenere una ulteriore prova orale, finalizzata a valutare in profondità la comprensione dei contenuti del corso e la capacità di applicarli a casi pratici.