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CRESCITA CRISTALLINA

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Crystal growth

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Anno accademico 2017/2018

Codice dell'attività didattica
STE0023
Docente
Marco Bruno (Titolare del corso)
Corso di studi
Corso di Laurea in Scienze Geologiche
Anno
3° anno
Tipologia
A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
GEO/06 - mineralogia
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Consigliata
Tipologia d'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).
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Sommario insegnamento

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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.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Il corso si propone di raggiungere due obbiettivi  complementari:  (1) a livello di base,  comprendere le proprietà strutturali e termodinamiche di nanofasi; (2) a livello applicativo, saper usare i concetti di affinità e sovrasaturazione, energia superficiale e  meccanismi di crescita per interpretare e gestire i processi di cristallizzazione nell'industria ed in ambienti naturali.

The aim of this Course is double: (i) to understand the structural and thermodynamic properties of nanocrystalline phases; (ii) to be able of using the concepts of affinity and supersaturation and surface energy, as well as the growth theory in order to explain and describe the growth processes in natural environments and for industry.

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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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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.

Testi consigliati e bibliografia

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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: 14/07/2016 12:11
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