FUNDAMENTALS OF SPECTROSCOPY AND LABORATORY

Il corso si propone di fornire agli studenti/alle studentesse del corso di laurea magistrale in Chimica e Tecnologie Sostenibili una solida base teorica e pratica sulle principali tecniche spettroscopiche utilizzate per l’analisi e la caratterizzazione di sistemi chimici. Attraverso un approccio integrato che coniuga aspetti fondamentali ed applicativi, il corso affronta metodi spettroscopici con particolare attenzione alla loro rilevanza nell’ambito di caratterizzazione di nuovi materiali sostenibili o prodotti tramite processi innovativi che mirino ad un sistema di economia circolare.
L’obiettivo formativo è quello di rendere lo studente/la studentessa capace di scegliere la tecnica più adatta per affrontare specifici problemi analitici riguardanti sistemi organici, inorganici e materiali compositi. Il corso prevede attività di laboratorio finalizzate all’applicazione pratica dei concetti teorici e all’acquisizione di dimestichezza con le tecniche analitiche trattate.

CONOSCENZE
Al termine del corso, lo studente/la studentessa sarà capace di descrivere in dettaglio gli elementi fondanti di diverse spettroscopie ottiche e magnetiche. Inoltre, avrà assimilato le conoscenze necessarie per misurare le proprietà di molecole, (nano)materiali e loro superfici mediante l'utilizzo di tecniche spettroscopiche usate individualmente o in maniera complementare. Lo studente/la studentessa avrà quindi compreso in maniera approfondita il formalismo appropriato, gli aspetti teorici e i tratti caratteristici di alcune delle moderne tecniche di spettroscopie ottiche e magnetiche. Inoltre, saprà descrivere correttamente le diverse tecniche e i relativi aspetti applicativi interdisciplinari.

CAPACITA' COGNITIVE ED ABILITÀ PRATICHE
Durante il corso, lo studente/la studentessa apprenderà come applicare il formalismo teorico adeguato per la corretta interpretazione di dati spettroscopici in funzione della particolare tecnica impiegata e della regione spettrale investigata. Lo studente/la studentesas sarà quindi capace di applicare i concetti dell’elettromagnetismo e della quantomeccanica per descrivere l’esperimento, analizzare i dati sperimentale, valutarne la qualità ed ottimizzare i parametri sperimentali della misura.

COMPETENZE TRASVERSALI
Attraverso attività di valutazione continuativa dell’apprendimento e attività pedagogiche tipo peer learning, lo studente/la studentessa perfezionerà la capacità di rendere facilmente fruibili concetti complessi tramite l’utilizzo di comunicazione verbale e grafica.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Al termine del corso, lo studente/la studentessa sarà capace di selezionare la tecnica spettroscopica più adatta per caratterizzare sistemi di natura differente o con l’obiettivo di investigarne caratteristiche specifiche.

ABILITÀ COMUNICATIVE
Lo studente/la studentessa perfezionerà la capacità di comunicare in modo chiaro le informazioni apprese e descrivere i risultati ottenuti dall’applicazione di tecniche spettroscopiche con linguaggio appropriato.

E’ necessario che gli studenti/le studentesse sappiano (e siano capaci di utilizzare) i concetti di base di analisi matematica (vettori, calcolo differenziale e integrale di funzioni di più variabili), di elementi di fisica (elettromagnetismo classico), di chimica fisica, e di spettroscopia (relativamente all'interpretazione degli spettri IR e degli spettri NMR monodimensionali) tipici dei corsi di laurea triennale in Chimica. È altresì richiesta una conoscenza di base dei concetti di chimica quantistica.

PARTE TEORICA.
RICHIAMI DI CONCETTI DI BASE. Spazi vettoriali hilbertiani, operatori hermitiani e loro proprietà. Equazione di Schrödinger dipendente ed indipendente dal tempo. Radiazione elettromagnetica, sua descrizione formale, stato di polarizzazione. Interazione luce-materia.
SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO UV-VIS E DI FLUORESCENZA/FOSFORESCENZA. Transizioni elettroniche. Regole di selezione. Legge di Lambert-Beer. Diagramma di Jablonski. Stokes shift. Fotoluminescenza in molecole e materiali. Stato stazionario vs metodi risolti in tempo. Fenomeni di trasferimento di energia e quenching. Studi di polarizzazione.
SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO IR. Vibrazioni molecolari. Spettroscopia dell’oscillatore armonico. Estensione al caso delle molecole poliatomiche. I modi normali di vibrazione. Regole di selezione.
SPETTROSCOPIA RAMAN, SERS, TERS. Scattering di tipo Stokes, anti-Stokes e Rayleigh. Regole di selezione. Condizione di risonannza o pre-risonanza. Differenza fra spettroscopia IR e Raman. Introduzione a risonanza plasmonica localizzata di superficie. Hot spots. Accoppiamento con AFM.
SPETTROSCOPIE BASATE SU RAGGI-X. Fluorescenza di raggi-X (XRF): Ionizzazione ed emissione di raggi-X. Spettroscopia di effetto fotoelettrico (XPS): Richiamo dell’effetto fotoelettrico, energia di legame, energia cinetica, funzione lavoro.
SPETTROSCOPIA DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE (NMR). Operatori di momento angolare di spin. Moto di precessione del sistema di spin e frequenza di Larmor. Processi di rilassamento: longitudinali (spin-lattice) e trasversali (spin-spin). Concetti base per analisi NMR mono-dimensionale. Spettroscopia 2D-NMR omonucleare e eteronucleare. Tecniche COSY, HSQC, HMBC, DEPT, PGSE, DOSY.
Durante la presentazione delle varie tecniche spettroscopiche, verranno discussi gli strumenti utilizzati ed introdotti casi di studio specifici con relativi esercizi.

LABORATORIO.
Verranno effettuate 4 esperienze di laboratorio che si focalizzeranno sulle seguenti tecniche: spettroscopia di assorbimento UV-VIS, fluorescenza, IR, Raman e NMR.

Principalmente appunti di lezione, corredati dal materiale preparato dal docente e caricato in Moodle.

Per la parte relative ai concetti base di quantomeccanica:
- D. J. Griffiths, “Introduction to Quantum Mechanics”, Cambridge University Press, 2nd edition, 2016.
Per la parte relativa alle spettroscopie ottiche:
- J. M. Hollas, “Modern Spectroscopy”, 4th edition, Wiley, 2003.
- J. R. Lakowicz, “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, 3rd edition, Springer, 2006.
- W. Struve, “Fundamentals of Molecular Spectroscopy”, Wiley, 1989.
Per la parte relative alle spettroscopie magnetiche:
- N. E. Jacobsen “NMR SPECTROSCOPY EXPLAINED: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology”, John Wiley & Sons, 2007.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova scritta, report di laboratorio e una breve presentazione.

PROVA SCRITTA (50%, 90 min): lo studente/la studentessa dovrà rispondere a quesiti tipo domanda aperta e scelta multipla, dimostrando di aver compreso, assimilato ed aver sviluppato capacità di rielaborazione dei concetti teorici. Lo studente/la studentessa dovrà altresì dimostrare di saper valutare comparativamente l’applicabilità, le problematiche e le prestazioni delle diverse tecniche spettroscopiche in funzione del problema da affrontare e/o delle ricerche da condurre. Durante l’esame, è ammesso l’uso di calcolatrice scientifica.

REPORT DI LABORATORIO (30%): lo studente/la studentessa dovrà redigere, in gruppi di due o tre persone, report delle esperienze di laboratorio usando il modello fornito dall’insegnante in Moodle.

PRESENTAZIONE ORALE (20%, 10-15 min): lo studente/la studentessa dovrà preparare una breve presentazione orale (8 min) su di un articolo scientifico nel quale viene fatto uso di una o più tecniche spettroscopiche studiate durante il corso. L’articolo verrà concordato con l’insegnante durante il corso. Il formato della presentazione sarà in PPT o PDF, usando il modello fornito dall’insegnante in Moodle. Tramite questa presentazione, lo studente/la studentessa dimostrerà di saper contestualizzare gli argomenti appresi durante il corso all’interno di argomenti di ricerca, utilizzando linguaggio appropriato e spirito critico nell’analisi dei risultati riportati. L’accesso a questa prova è soggetto al superamento della prova scritta (voto di almeno 18/30).

scritto e orale

Il voto finale dell’insegnamento, espresso in trentesimi, è composto da una media pesata dei voti ottenuti nella prova scritta (50%), nei report di laboratorio (30%) e nella presentazione orale (20%).

Per il voto finale, la seguente griglia di valutazione verrà impiegata.

Punteggi nella fascia 18-24. Lo studente/la studentessa mostra di aver acquisito un’adeguata comprensione di almeno quattro delle tecniche spettroscopiche trattate durante il corso. Lo studente/la studentessa è capace di trattare almeno qualitativamente e con linguaggio per la maggior parte appropriato gli aspetti teorici di dette tecniche (durante la prova scritta, i report e la presentazione). Lo studente/la studentessa riesce ad identificare in articoli scientifici alcuni degli elementi studiati durante il corso. Dimostra altresì sufficiente autonomia di giudizio e capacità di applicazione delle stesse per affrontare problemi pratici.

Punteggi nella fascia 25-28. Lo studente/la studentessa mostra di aver acquisito un’adeguata comprensione di tutte le tecniche spettroscopiche trattate durante il corso. Lo studente/la studentessa è capace di trattare in modo qualitativo e quantitativo, con linguaggio appropriato, gli aspetti teorici di dette tecniche (durante la prova scritta, i report e la presentazione). Lo studente/la studentessa riesce ad identificare in articoli scientifici la maggior parte degli elementi studiati durante il corso. Dimostra altresì buona autonomia di giudizio e capacità di applicazione delle stesse per affrontare problemi pratici.

Punteggi nella fascia 29-30. Lo studente/la studentessa mostra di aver acquisito un’ottima e dettagliata comprensione di tutte le tecniche spettroscopiche trattate durante il corso. Lo studente/la studentessa è capace di trattare in modo qualitativo e quantitativo, con linguaggio appropriato, gli aspetti teorici di dette tecniche (durante la prova scritta, i report e la presentazione). Lo studente/la studentessa riesce ad identificare in articoli scientifici gli elementi studiati durante il corso in maniera puntuale e rigorosa. Dimostra altresì ottima autonomia di giudizio e capacità di applicazione delle stesse per affrontare problemi pratici, identificando complementarietà nell’uso di differenti tecniche.
Per il conferimento della Lode, la valutazione su tutti i punti ed aspetti sopra citati dovrà risultare eccellente.

Corso frontale organizzato in lezioni (svolte mediante l’uso combinato di lavagna e proiezione di diapositive in formato PPT e/o PDF), comprensive di esempi di applicazione di programmi per la visualizzazione dei concetti descritti ed interpretazione di spettri. Saranno introdotti esercizi sui vari argomenti trattati ed esempi tratti da articoli scientifici. Sessioni di insegnamento tra pari verranno altresí utlizzate. Verranno svolte attività di laboratorio che comprenderanno preparazione di campioni per analisi spettroscopiche, acquisizione ed interpretazione di spettri e preparazione di report in maniera cooperativa.
Le lezioni in aula saranno interattive e comprenderanno la risoluzione (usando anche applicativi e software specifici) di esercizi e problemi da parte degli studenti; gli studenti saranno guidati dal docente alla comprensione degli esercizi e problemi loro assegnati. Gli studenti/le studentesse saranno chiamati/e a presentare e discutere in classe le soluzioni agli esercizi e problemi assegnati.
Il materiale didattico del corso verrà reso disponibile sulla piattaforma Moodle di ateneo. Questo materiale comprende: diapositive usate durante le lezioni, eventuale materiale addizionale e i modelli per la preparazione dei report di laboratorio e le presentazioni orali.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Economia circolare, innovazione, lavoro" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile