La principale caratteristica di un materiale nanostrutturato è il fatto di essere progettato e modificato nella sua nanostruttura al fine di ottenere un preciso insieme di prestazioni, generalmente superiori o comunque non assimilabili a quelle esibite dai materiali "convenzionali" di dimensioni maggiori. Le strutture cristalline di dimensioni inferiori ai 100 nanometri presentano infatti caratteristiche peculiari che è possibile sfruttare, attraverso particolari processi di lavorazione, con riferimento anche alla macro scala. Attraverso l'uso delle nanotecnologie si possono realizzare nuovi materiali funzionali, strumenti e sistemi con straordinarie proprietà derivanti dalla loro struttura molecolare ed implementare qualità e caratteristiche di processi e prodotti esistenti. Alla nanoscala, infatti, gli oggetti sono in grado di cambiare colore, forma e fase in funzione di parametri intrinseci (quali il band gap, la dimensione media, il confinamento dimensionale…) in maniera peculiare e non riproducibile alla macro scala. L’insegnamento affronta quindi lo studio delle proprietà specifiche dei nanomateriali nonché la loro progettazione ed il loro impiego, nell’ottica di creare nuovi materiali che possano essere utilizzati oggigiorno per rispondere alle richieste della Comunità Europea ed Extra-Europea, in termini di “Green Deal”, “Climate Change”, “Energy & Mobility”.

L'obiettivo è di sviluppare nell'allievo la capacità di progettare e di ingegnerizzare un materiale di dimensioni nanometriche e saperne riconoscere le proprietà peculiari, attraverso l’utilizzo delle principali tecniche di caratterizzazione già note. Al termine dell’Insegnamento lo studente avrà acquisito informazioni sulle proprietà dei nanomateriali e sulle nanotecnologie.

L'allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le proprietà generali dei materiali metallici, ceramici e polimerici in forma massiva (non nanostrutturati). Sono inoltre richieste nozioni di base di meccanica quantistica e struttura della materia ed anche delle principali tecniche di caratterizzazione chimico-fisiche di materiali, acquisite durante i corsi del primo triennio in Ingegneria dei Materiali e durante i corsi del biennio di specializzazione in Ingegneria dei Materiali Funzionali. Sarà inoltre richiesta una conoscenza di base del trattamento dei dati sperimentali per poter affrontare le esperienze di laboratorio e compilare le relative relazioni conclusive. Tali conoscenze dovrebbero essere state apprese durante i corsi del I anno di Fisica 1, Chimica ed Algebra.

Introduzione ai nanomateriali. Proprietà dei materiali alla nanoscala: effetto delle dimensioni sul comportamento dei materiali. Proprietà elettroniche di banda, proprietà ottiche, plasmone di risonanza, proprietà termiche ed elettriche. Nanoparticelle (sistemi 0D): quantum dots, nanoparticelle metalliche e polimeriche: sintesi, funzionalizzazione, applicazioni. Nanofili (sistemi 1D): Nanofili semiconduttori e metallici: sintesi, funzionalizzazione, applicazioni. Nanotubi di carbonio: sintesi, funzionalizzazione, applicazioni. Materiali bidimensionali (sistemi 2D): grafene, quantum wells, membrane nanostrutturate. Materiali nanostrutturati (sistemi 3D): Copolimeri a blocchi (BCPs) e self-assembling: diagrammi ordine-disordine e trattazione termodinamica dell’autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi. Impiego dei BCP come templanti. Nanocompositi. Biomimetica, nanorobots. Introduzione ai metodi di simulazione atomistici per l’ingegneria dei nanomateriali. Laboratorio sulla caratterizzazione chimico-fisica di materiali nanostrutturati.

“L’insegnamento è strutturato in: - 88 ore di lezioni ed esercitazioni in aula, mirate allo sviluppo di conoscenze relative ai nanomateriali e alle strategie tecnologiche per la produzione di nanomateriali e per la modulazione delle loro proprietà (come descritto in dettaglio nel programma); - 12 ore di attività in laboratorio, suddivise in due esperienze distinte da 6 ore complessive ciascuna, mirate a stimolare l’abilità di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi pratici. Saranno inoltre presentate e discusse le tecniche di caratterizzazione dei materiali e le tecnologie produttive o di modifica degli stessi per fornire agli studenti strumenti per la loro selezione e analisi critica. La partecipazione al laboratorio è facoltativa, mentre la teoria inerente le esperienze sarà comunque argomento di esame. Durante lo svolgimento del laboratorio le studentesse e gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi ed, al completamento dell’esperienza, dovranno redigere una relazione di gruppo per ognuna delle esperienze portate a termine. Coloro i quali non potranno svolgere il laboratorio in presenza, per qualsivoglia motivo, potranno redigere comunque una relazione utilizzando un set di dati acquisiti nelle stesse condizioni e sugli stessi materiali analizzati dalle colleghe e dai colleghi, che hanno frequentato in presenza le attività di laboratoio. Poiché questo insegnamento è una particolare sintesi di diversi aspetti della chimica, fisica e tecnologia dei nanomateriali è stato sviluppato materiale didattico ad hoc che non coincide interamente e perfettamente con testi disponibili sul mercato. Le diapositive, mostrate a lezione, vengono messe a disposizione degli studenti iscritti all'insegnamento sul portale della didattica. Possono anche essere rese disponibili le registrazioni delle lezioni erogate negli anni precedenti, a richiesta.

I testi di riferimento per gli approfondimenti sono i seguenti: 1) “Introduction to Nanoscience and Nanomaterials”, D. C. Agrawal (2013, World Scientific) 2) “Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications” G. Cao (2004, Imperial College Press) o in alternativa, la sua riedizione più recente: “Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications” G. Cao & Y. Wang (2011, World Scientific). I testi di riferimento sono reperibili presso le Biblioteche del Politecnico di Torino (Centrale e DISAT).

Slides; Libro di testo; Video lezioni tratte da anni precedenti; Materiale multimediale ;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto prodotto in gruppo;

Exam: Written test; Group essay;

... Modalità di esame: prova scritta obbligatoria con domande aperte su tutto il programma svolto a lezione e sulla teoria delle attività svolte in laboratorio. Per portare a termine l'esame scritto verranno forniti 90 minuti. Non è possibile consultare materiale didattico/relazioni prodotti durante l'anno. La valutazione massima raggiungibile con l'esame scritto è pari a 28/30 (corrispondente ai CFU maturati con la frequenza alle lezioni in aula). Sarà verificata l'acquisizione delle conoscenze e la comprensione delle proprietà chimico fisiche dei materiali alla nanoscala e delle loro applicazioni come materiali funzionali in svariati campi tecnologici. La parte complementare della valutazione potrà essere raggiunta mediante la redazione delle due relazioni scritte (facoltative) relative alle attività di laboratorio svolte in gruppi (secondo le modalità spiegate nella sezione "Organizzazione dell'insegnamento"), che potrà, eventualmente, permettere di raggiungere il voto finale pari a 30L. Le relazioni dovranno comprendere un'introduzione all'esperienza, la descrizione sintetica dell'attività svolta in laboratorio, i dati raccolti e le relative analisi, con commento critico finale sui risultati ottenuti. Il voto extra, maturato con le due relazioni di laboratorio, potrà variare da un minimo di zero ad un massimo di quattro punti, in totale. Il voto delle relazioni verrà sommato al voto ottenuto, mediante l'espletamento della prova scritta, solo per punteggi maggiori o uguali a 18/30. In caso di insufficienza nell'esame scritto, il bonus non verrà sommato per l'ottenimento del voto finale. Un altro voto extra verrà assegnato a coloro i quali svolgeranno l'attività di esercitazione in aula per la tematica "Introduzione alla Dinamica Molecolare", producendo una relazione scritta relativa allo studio di una particolare proprietà intrinseca dei materiali nanometrici. Non è prevista una prova orale per l'esame del corso.

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.