Nanomateriali per le biotecnologie e la chimica verde (2020/2021)



Codice insegnamento
4S008287
Crediti
6
Coordinatore
Adolfo Speghini
Settore disciplinare
CHIM/03 - CHIMICA GENERALE E INORGANICA
Lingua di erogazione
Italiano
L'insegnamento è organizzato come segue:
Attività Crediti Periodo Docenti Orario
teoria 5 I semestre Adolfo Speghini

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laboratorio 1 I semestre Adolfo Speghini

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Obiettivi formativi

Il Corso si propone di fornire allo studente gli strumenti teorici e sperimentali per lo studio, lo sviluppo e l’applicazione di nanomateriali in ambito Biotecnologico e di Chimica verde, sia per applicazioni industriali che agro-alimentari. Saranno considerati nanomateriali inorganici (per esempio metallici, ossidi, fluoruri) opportunamente attivati e funzionalizzati per specifiche proprietà, quali diagnostica, conversione e immagazzinamento di energia, trasporto di materiali e attività catalitica per processi produttivi e di trasformazione delle risorse in una logica di sostenibilità globale. Il corso prevede anche alcune esperienze di laboratorio per fornire manualità e capacità critica e analitica di progettazione, preparazione, caratterizzazione chimico-fisica e applicazione di nanomateriali inorganici funzionalizzati in ambito Biotecnologico e di Chimica Verde.

Programma

PARTE TEORICA

Nanomateriali: definizione e peculiarità. Tipologie di nanomateriali (organici, inorganici, ibridi organico-inorganici).
Importanza della superficie in nanomateriali. Fenomeni influenzati dalla superficie. Aspetti termodinamici di fasi nanometriche. Nanostrutture gerarchiche.
Nanomateriali 1D e 2D. Fullereni, nanotubi di carbonio, grafene. Cenni alla teoria delle bande. Semiconduttori nanometrici e Quantum Dots: proprietà elettroniche e spettroscopiche.
Nanomateriali a base di fluoruri attivati con ioni lantanidi luminescenti. Carbon Dots luminescenti.
Nanoparticelle di metalli nobili e loro proprietà plasmoniche. Nanomateriali a base di ossidi per fotocatalisi.
Nanoparticelle magnetiche. Nanocompositi organico-inorganici.
Nanosistemi attivabili da stimoli esterni per diagnostica, drug-delivery e per trattamenti curativi in nanomedicina.
Sintesi di nanoparticelle in soluzione con metodiche “green chemistry” (coprecipitazione, sol-gel, solvotermale). Sintesi assistite da microonde. Strategie per ottenere diverse porosità, dimensioni e morfologie (nanorods, core@shell) di nanoparticelle utilizzando metodiche di chimica verde. Funzionalizzazione superficiale di nanoparticelle inorganiche con shell di silice.
Analisi chimico-fisica di nanostrutture (strutturale, morfologica, colloidale). Indagine spettroscopica nel campo ottico (UV, visibile e infrarosso) su nanoparticelle luminescenti. Indagine delle proprietà vibrazionali di nanoparticelle con spettroscopia infrarossa e Raman.


ESPERIENZE DI LABORATORIO

1) Sintesi di nanoparticelle metalliche (Au, Ag) in soluzione acquosa e loro caratterizzazione spettroscopica nel campo ottico (UV, visibile ed infrarosso). Studio delle proprietà colloidali delle nanoparticelle metalliche preparate e analisi della loro morfologia con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM).

2) Preparazione di nanoparticelle di TiO2 e Fe3O4 in soluzione con una reazione assistita da microonde. Studio delle loro proprietà colloidali. Analisi strutturale mediante diffrazione dei raggi X. Analisi morfologica con l'utilizzo di tecnica di microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Indagine delle loro proprietà vibrazionali con spettroscopia Raman.

3) Preparazione di nanoparticelle di CaF2 e SrF2 funzionalizzate con ioni lantanidi luminescenti in ambiente acquoso e loro ricoprimento con una shell di silice mediante tecnica sol-gel. Caratterizzazione chimico-fisica (strutturale, morfologica, colloidale) delle nanoparticelle. Studio delle loro proprietà di emissione nel range del visibile a seguito di eccitazione laser nel vicino infrarosso.

Modalità d'esame

La prova d'esame sarà orale, comprendente l'esposizione di un lavoro bibliografico su un argomento dell'Insegnamento e domande sui vari argomenti dell'Insegnamento, sulla parte teorica, sugli esempi considerati e sulle esperienze di laboratorio. Particolare attenzione sarà inoltre rivolta alla padronanza dei concetti, delle metodiche, degli strumenti e delle tecniche usate nelle esperienze di laboratorio.
Per entrambi gli studenti frequentanti e non frequentanti l'esame verterà su tutti gli argomenti della parte teorica, sugli esempi considerati e la parte sulle esperienze di laboratorio.
Per la parte di laboratorio è richiesto un elaborato scritto riguardante le metodiche e i risultati ottenuti durante le esperienze, che dovrà essere caricato sulla piattaforma Moodle alla fine dell'esperienza di laboratorio.

Testi di riferimento
Attività Autore Titolo Casa editrice Anno ISBN Note
teoria Dieter Vollath Nanoparticles - Nanocomposites - Nanomaterials (Edizione 1) Wiley-VCH 2013 978-3-527-33460-5