Applied colloid and surface chemistry
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
Colloidal systems are everywhere, from personal care products to industrial formulations and food. The course introduces the student to the phenomena that govern the behavior and reactivity of surfaces and colloidal systems. Students will familiarize themselves with the main experimental techniques used to characterize interfaces and colloids, both from a theoretical perspective and via exercises on real-life examples.
Risultati apprendimento attesi
At the end of the course, the student should be able to:
- Describe the main phenomena that govern the behavior of interfaces (surface tension, adsorption, wettability, adhesion, surface electrification...) and the relative theoretical models
- Identify approaches to modify the surface properties of materials and the stability of colloidal systems
- Identify characterization techniques that can be used to study specific properties of colloids and surfaces; make comparisons with other similar techniques in relation to the merits and limitations of each method
- Read critically the experimental reports of some of the characterization techniques seen during the course (BET, DLS, etc.) and apply simple models to analyze the experimental data
- Describe the main phenomena that govern the behavior of interfaces (surface tension, adsorption, wettability, adhesion, surface electrification...) and the relative theoretical models
- Identify approaches to modify the surface properties of materials and the stability of colloidal systems
- Identify characterization techniques that can be used to study specific properties of colloids and surfaces; make comparisons with other similar techniques in relation to the merits and limitations of each method
- Read critically the experimental reports of some of the characterization techniques seen during the course (BET, DLS, etc.) and apply simple models to analyze the experimental data
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
- Differenza tra superficie e interfase, sistema disperso e colloide. Sistemi dispersi nella food science. Tensione superficiale ed interfasale e loro determinazione sperimentale.
- Adsorbimento: definizione e relazione con la tensione superficiale. Effetto Marangoni e sue applicazioni innovative. Fisisorbimento, chemisorbimento e loro distinzione sperimentale. Isoterme di adsorbimento, loro determinazione sperimentale ed esempi reali di applicazione nella rimozione di inquinanti.
- Funzionalizzazione delle superfici: meccanismi di formazione di film e self-assembled monolayers, tecniche sperimentali per la manipolazione e lo studio di monolayers, applicazioni biomediche e nei materiali avanzati
- Area superficiale e porosità dei solidi: metodi sperimentali per la determinazione dell'area superficiale basati sul modello BET e sua applicazione a dati reali. Materiali ad alta area superficiale e materiali micro, meso e macroporosi. Tecniche sperimentali per lo studio della porosità dei solidi: porosimetria a mercurio, metodi BJH e t-plot, con applicazioni a casi reali.
- Bagnabilità ed adesione: modelli teorici e metodi sperimentali per la determinazione della bagnabilità (metodo goniometrico, tensiometrico, Washburn), tecniche per la modifica della bagnabilità delle superfici, materiali superidrofili e superidrofobi e loro applicazioni (smart materials, robotica, etc.). Fenomeni di dewetting: problematiche industriali e applicazioni nella sintesi di nanoparticelle. Determinazione dell'energia superficiale dei solidi e tecniche per la predizione della bagnabilità (wetting envelopes) con applicazione su dati reali. Capillarità. Modelli interpretativi dei fenomeni di adesione, classificazione di adesivi, tecniche per la determinazione sperimentale dell'adesione, effetto loto, effetto petalo ed effetto geco.
- Carica superficiale e stabilità colloidale: origine dei fenomeni di elettrificazione interfasale. Fenomeni elettrocapillari ed elettrocinetici e loro applicazioni. Punto di carica zero e punto isoelettrico: differenze, tecniche per la loro determinazione sperimentale (metodi classici, pH-shift, elettrocinetici), ed esempi applicativi. Confronto critico delle tecniche per la determinazione delle dimensioni di particelle colloidali (metodi elettrocinetici, elettroacustici, microscopie). Stabilità di dispersioni colloidali con esempi e sua determinazione sperimentale.
- Adsorbimento: definizione e relazione con la tensione superficiale. Effetto Marangoni e sue applicazioni innovative. Fisisorbimento, chemisorbimento e loro distinzione sperimentale. Isoterme di adsorbimento, loro determinazione sperimentale ed esempi reali di applicazione nella rimozione di inquinanti.
- Funzionalizzazione delle superfici: meccanismi di formazione di film e self-assembled monolayers, tecniche sperimentali per la manipolazione e lo studio di monolayers, applicazioni biomediche e nei materiali avanzati
- Area superficiale e porosità dei solidi: metodi sperimentali per la determinazione dell'area superficiale basati sul modello BET e sua applicazione a dati reali. Materiali ad alta area superficiale e materiali micro, meso e macroporosi. Tecniche sperimentali per lo studio della porosità dei solidi: porosimetria a mercurio, metodi BJH e t-plot, con applicazioni a casi reali.
- Bagnabilità ed adesione: modelli teorici e metodi sperimentali per la determinazione della bagnabilità (metodo goniometrico, tensiometrico, Washburn), tecniche per la modifica della bagnabilità delle superfici, materiali superidrofili e superidrofobi e loro applicazioni (smart materials, robotica, etc.). Fenomeni di dewetting: problematiche industriali e applicazioni nella sintesi di nanoparticelle. Determinazione dell'energia superficiale dei solidi e tecniche per la predizione della bagnabilità (wetting envelopes) con applicazione su dati reali. Capillarità. Modelli interpretativi dei fenomeni di adesione, classificazione di adesivi, tecniche per la determinazione sperimentale dell'adesione, effetto loto, effetto petalo ed effetto geco.
- Carica superficiale e stabilità colloidale: origine dei fenomeni di elettrificazione interfasale. Fenomeni elettrocapillari ed elettrocinetici e loro applicazioni. Punto di carica zero e punto isoelettrico: differenze, tecniche per la loro determinazione sperimentale (metodi classici, pH-shift, elettrocinetici), ed esempi applicativi. Confronto critico delle tecniche per la determinazione delle dimensioni di particelle colloidali (metodi elettrocinetici, elettroacustici, microscopie). Stabilità di dispersioni colloidali con esempi e sua determinazione sperimentale.
Prerequisiti
Elementi di termodinamica (energia potenziale, entalpia, entropia, energia libera di Gibbs, potenziale chimico, leggi dei gas ideali), cinetica (equazione cinetica, energia di attivazione) ed elettrochimica (potenziale elettrico, costante dielettrica), con cui lo studente si è familiarizzato nei corsi introduttivi di chimica e chimica fisica (I e II)
Metodi didattici
I concetti teorici vengono presentati mediante lezioni frontali (48 h equivalenti a 6 CFU). Lo studente è stimolato ad applicare i concetti appresi con la risoluzione di piccoli problemi ed esercitazioni su dati reali. Seminari su tematiche applicative vengono offerti come attività complementari facoltative.
Materiale di riferimento
Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl, Physics and Chemistry of Interfaces, Wiley, 2003
- Tharwat F. Tadros, Dispersion of Powders in Liquids and Stabilization of Suspensions, Wiley, 2012
- Materiale fornito dalla docente caricato sul sito Ariel del corso.
- Tharwat F. Tadros, Dispersion of Powders in Liquids and Stabilization of Suspensions, Wiley, 2012
- Materiale fornito dalla docente caricato sul sito Ariel del corso.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame è orale. Allo studente è innanzitutto chiesto di approfondire un argomento trattato a lezione mediante lo studio e la presentazione di un articolo di letteratura. Il successivo colloquio mira a valutare la comprensione, da parte dello studente, delle logiche generali che regolano i fenomeni di interfase apprese tramite le lezioni in aula. La valutazione è in trentesimi.
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 6
Lezioni: 48 ore
Docente:
Meroni Daniela
Turni:
Turno
Docente:
Meroni DanielaDocente/i