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Oggetto:
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CRESCITA CRISTALLINA

Oggetto:

Crystal growth

Oggetto:

Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
STE0023
Docente
Marco Bruno (Titolare del corso)
Corso di studio
Corso di Laurea in Scienze Geologiche
Anno
3° anno
Tipologia
A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
GEO/06 - mineralogia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Consigliata
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Conoscenze di base di matematica, chimica e fisica.
Conoscenza (i) dei principali minerali costituenti le rocce (loro classificazione e struttura) e (ii) dei concetti di simmetria della materia (gruppi puntuali e spaziali).
Basic knowledge of mathematics, chemistry and physics.
Knowledge (i) of the main minerals constituting the rocks (their classification and structure) and (ii) of the concepts of symmetry of matter (punctual and spatial groups).
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Sommario del corso

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il Corso si propone di introdurre lo studente allo studio dei meccanismi di formazione di nuove fasi e, quindi, dei fenomeni di nucleazione e crescita di (i) minerali, (ii) materiali cristallini utili per l’elettronica (e.g., semiconduttori) e (iii) cristalli in campo farmaceutico e alimentare (e.g., zucchero, cioccolato). Tale corso si prefigge di fornire allo studente le competenze necessarie per comprendere i processi di formazione dei minerali in soluzione acquosa (ambiente evaporitico ed idrotermale), camera magmatica (rocce magmatiche) e ambiente metamorfico (rocce metamorfiche). Inoltre, tale Corso si prefigge di fornire le competenze per comprendere i fenomeni di cristallizzazione di materiali per l’industria elettronica, farmaceutica e alimentare.

This Course introduces the student to the study of the formation mechanisms of new phases and, as a consequence, to the nucleation and growth processes of (i) minerals, (ii) crystalline materials for electronics  (e.g., semiconductors) and (iii) crystalline phases for pharmaceutical and food industries (e.g., sugar, chocolate).  Such a Course wants to give to the student the expertise necessary to understand the formation processes of minerals in aqueous solution (evaporitic and hydrothermal environments), magmatic chamber (magmatic rocks) and metamorphic environment (metamorphic rocks). Moreover, this Course provides the expertise to understand the crystallization phenomena involving materials for electronics, pharmaceutical industry and food industry.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Alla fine di questo insegnamento lo studente dovrà:

  • Possedere una conoscenza del quadro concettuale, termodinamico, entro il quale tutta la fenomenologia della crescita cristallina viene inquadrata;
  • Conoscere gli strumenti fondamentali, sviluppati in ambito termodinamico, per lo studio dei processi di nucleazione e crescita delle fasi cristalline;
  • Avere nozione delle principali applicazioni in ambito geologico e delle scienze dei materiali degli strumenti studiati.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine di questo insegnamento, lo studente sarà in grado di:

  • interpretare in chiave termodinamica vari aspetti fondamentali concernenti la crescita dei cristalli nell’ambito delle Scienze della Terra e delle Scienze dei Materiali;
  • utilizzare con competenza modelli termodinamici per spiegare la nucleazione e la crescita di fasi cristalline;
  • interpretare fenomeni di crescita in ambiente naturale e di laboratorio per mezzo delle teorie più moderne.

Autonomia di giudizio

Alla fine dell’insegnamento  lo studente dovrà essere in grado di valutare quantitativamente la validità, l’applicabilità, l’attendibilità e i limiti di un dato modello termodinamico nella risoluzione di un dato problema di crescita cristallina.

Abilità comunicative

Alla fine dell’insegnamento lo studente dovrà:

  • essere in grado di descrivere, sviluppare e impostare un dato problema riguardante la crescita cristallina utilizzando il linguaggio corretto in ambito termodinamico;
  • interfacciarsi con altre figure, in differenti ambiti che considerano gli stessi problemi da punti di vista diversi, mostrando e illustrando gli aspetti importanti ed essenziali di carattere termodinamico che possono portare contributi all’analisi e soluzione di problemi.

Capacità di apprendimento

Alla fine di questo insegnamento lo studente avrà sviluppato le capacità di studio autonomo di problematiche inerenti la crescita cristallina, da affrontarsi con gli strumenti concettuali e tecnici appresi.

Knowledge and understanding ability

At the end of this course the student will:

  • Possess a knowledge of the conceptual thermodynamic frame, within which all the crystal growth phenomenology is interpreted;
  • Know the fundamental tools, developed in the thermodynamic field, for the study of the nucleation and growth processes of the crystalline phases;
  • Understanding the main applications in the Earth and Materials Sciences of the instruments studied.

Ability to apply knowledge and understanding

At the end of this teaching, the student will be able to:

  • interpret in a thermodynamic key various fundamental aspects concerning the growth of crystals in the field of Earth Sciences and Material Sciences;
  • competently use thermodynamic models to explain the nucleation and growth of crystalline phases
  • interpret growth phenomena in the natural environment and in the laboratory through the most modern theories.

Autonomy in judgment

At the end of the course the student must be able to quantitatively assess the validity, applicability, reliability and limits of a given thermodynamic model in solving a given crystalline growth problem.

Communication skills

At the end of the course the student must:

  • be able to describe, develop and set a given problem regarding crystalline growth using the correct language in the thermodynamic field;
  • interface with other figures, in different areas that consider the same problems from different points of view, showing and illustrating the important and essential thermodynamic aspects that can bring contributions to the analysis and solution of problems

Learning ability

At the end of this teaching the student will have developed the ability to independently study problems related to crystalline growth, to be faced with the conceptual and technical tools learned.

Oggetto:

Programma

Introduzione al corso e motivazioni. Panoramica sulle possibili problematiche da affrontare nel campo delle Scienze della Terra che richiedono una conoscenza dei fenomeni legati alla crescita dei cristalli.

Breve richiamo dei concetti fondamentali di termodinamica e cristallografia utili per la comprensione degli argomenti trattati nel presente corso.
Proprietà strutturali e termodinamiche di fasi di piccole dimensioni. Morfologia di equilibrio e di crescita dei cristalli: come si determina la morfologia (di equilibrio e crescita) di un cristallo che si forma da vapore, soluzione acquosa e magma. 

Teoria classica e non classica della nucleazione: come si forma un solido cristallino a partire da un vapore, una soluzione acquosa soprassatura e un fuso magmatico.

Classificazione strutturale delle facce di un cristallo: facce flat (F), stepped (S), kinked (K). Cinetica di crescita delle facce cristalline: integrazione diretta; nucleazione 2D; crescita per spirale. Processi di diffusione e cinetica interfacciale.

Esempi in natura dei processi di crescita descritti nel corso. Esempi di crescita in soluzione acquosa: crescita del gesso e del carbonato di calcio (calcite, aragonite e vaterite). Esempi di crescita in camera magmatica (silicati).

Esperienza in laboratorio in cui si eseguiranno: (i) cristallizzazioni (e.g., gesso, calcite, solfato di rame, zucchero) in soluzioni acquose mediante preparazione di soluzione a diverse soprasaturazioni e temperature; (ii) caratterizzazione delle fasi ottenute mediante diffrazione su polveri (XRPD); (iii) osservazione e descrizione della morfologia dei cristalli ottenuti mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione (SEM); (iv) osservazione delle superfici dei cristalli a livello atomico mediante l’utilizzo del microscopio atomico a scansione (AFM).

Tecniche analitiche e computazionali per lo studio delle proprietà strutturali e termodinamiche delle superfici/interfacce dei cristalli.

Introduction to the Course. A panoramic view on the possible problems to face in the field of the Earth's sciences, which require a knowledge of the phenomena concerning the crystal growth. A brief review on the fundamental concepts of thermodynamics and crystallography, in order to understand the arguments treated in the Course.

Structural and thermodynamic properties of nanophases. Equilibrium and growth morphology of crystals: How to determine the growth and equilibrium morphology of a crystal forming from vapour, aqueous solution and magma.

Classical Nucleation Theory (CNT) and Non Classical Nucleation Theory (NCNT): how to form a crystal from a vapour, aqueous solution and melt.

Structural classification of the crystal faces: flat faces (F), stepped faces (S), kinked faces (K). Kinetics of growth of the crystal faces: direct integration; 2D nucleation; spiral growth. Diffusion processes and interfacial kinetics.

Some examples in Nature of the growth processes discussed in the Course. Examples of growth in aqueous solution: gypsum and calcium carbonate (calcite, aragonite and vaterite). Examples of growth in magmatic chamber (silicates).

Some experiments in the growth laboratory of the Department: (i) crystallization (e.g., gypsum, calcite, copper sulphate, sugar) in aqueous solution by considering different supersaturations and temperatures; (ii) characterization of the phases obtained by means of powder diffraction (XRPD); (iii) observation and description of the morphology of the crystals by means of optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM); (iv) observation at atomic level of the crystal surfaces by means of the atomic force microscope (AFM).

Analytical and computational techniques to determine the structural and thermodynamic properties of the surfaces/interfaces of the crystals.

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Modalità di insegnamento

La metodologia didattica impiegata consiste in:

  • Lezioni frontali (N. ore): 40
  • Esercitazioni in aula e laboratori (N. ore): 16
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Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame finale prevede una prova orale durante la quale verranno verificati l’apprendimento delle conoscenze illustrate a lezione e nelle esercitazioni in laboratorio. In particolare, l’esame consiste in domande aperte volte a verificare le competenze acquisite in ciascuna delle seguenti aree: meccanismi di nucleazione di fasi cristalline, morfologia di crescita e equilibrio dei minerali, proprietà strutturali e chimico-fisiche di nanocristalli.

To verify the competences of the student an oral examination will be performed. The oral exam consists in several open questions concerning the arguments treated in the Course. In particular, nucleation mechanisms of crystals, equilibrium and growth morphology of crystals, structural and thermodynamic  properties of nanocrystals.

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Testi consigliati e bibliografia

1) The Atomistic Nature of Crystal Growth
Autore: B. Mutaftschiev
Casa editrice: Springer Series in Materials Science
ISBN: 3540664963

2) Dispense a cura del docente

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Ultimo aggiornamento: 11/06/2019 08:45
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