Corsi di studi in Scienze Geologiche (L-34 e LM-74)

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.

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.

La metodologia didattica impiegata consiste in:

• Lezioni frontali (N. ore): 40
• Esercitazioni in aula e laboratori (N. ore): 16

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.

In seguito all’emergenza sanitaria dovuta a COVID 19 l’esame nella sessione estiva sarà solo orale e verrà svolto in modalità telematica tramite la piattaforma Webex. Questa modalità sarà seguita finchè non cesserà l'emergenza sanitaria e verrà ripristinata la modalità precedente.

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.