Fisica dei liquidi e della materia soffice

A.A. 2021/2022
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire gli elementi fondamentali della descrizione teorica delle proprietà di equilibrio dei liquidi classici, quali fluidi di particelle neutre, fluidi coulombiani, soluzioni polimeriche e dispersioni colloidali. A partire dalle nozioni di base di meccanica statistica, verranno introdotte prima l'approssimazione di campo medio, quindi le funzioni di correlazione della densità unitamente ad alcune teorie approssimate per la loro determinazione e successivamente la nozione di interazione efficace, che sarà illustrata in alcuni esempi riguardanti i polimeri in soluzione, le modalità di stabilizzazione delle dispersioni colloidali e le forze di deplezione osmotica.
Risultati apprendimento attesi
Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in possesso delle seguenti conoscenze:

1) Saprà riconoscere il legame tra la forma dell'interazione tra le particelle del fluido e le sue proprietà macroscopiche in alcuni casi fondamentali, cogliendone analogie e differenze.

2) Sarà in grado di utilizzare l'approssimazione di campo medio e comprenderne i limiti.

3) Conoscerà alcuni metodi approssimati per il calcolo delle funzioni di correlazione ed i metodi che consentono di determinare le proprietà termodinamiche a partire da esse.

4) Avrà acquisito le più semplici equazioni di stato e la forma dei diagrammi di fase per fluidi di particelle neutre, fluidi di particelle cariche e soluzioni di polimeri.

5) Possiederà le nozioni fondamentali sulle dispersioni colloidali, incluse le modalità di stabilizzazione elettrostatica e sterica delle stesse.

6) Conoscerà l'origine e la descrizione delle interazioni di deplezione osmotica attraverso l'esame dettagliato di un modello specifico di miscela colloide-polimero.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Nel caso di restrizioni alla mobilità individuale dovute all'emergenza sanitaria COVID-19, le lezioni verranno erogate da remoto in modalità asincrona. I files audio-video delle lezioni saranno disponibili sul portale ARIEL dell'Ateneo. Potranno essere programmate anche video-conferenze in modalità sincrona per il ricevimento studenti, su richiesta degli studenti stessi, che verranno gestite mediante la piattaforma Zoom.
Programma
- Richiami di termodinamica e di meccanica statistica; diagrammi di fase.

- Elementi di teoria dello stato liquido: forze di dispersione; approssimazione di campo medio; gas di sfere rigide; gas di van der Waals; transizioni fluido-fluido e fluido-solido; funzioni di correlazione; fattore di stuttura; metodi perturbativi; approssimazione random phase; gas coulombiano; equazione di Debye-Hückel e di Poisson-Boltzmann.

- Soluzioni polimeriche: modello di random coil; modello di Flory-Huggins; interazioni repulsive "soffici" tra catene polimeriche; lunghezza di correlazione; scaling.

- Dispersioni colloidali: natura dei sistemi colloidali; dimensioni e densità caratteristiche delle particelle; moto browniano; costante di Hamaker; approssimazione di Derjaguin; coagulazione; stabilizzazione sterica; stabilizzazione elettrostatica; potenziale DLVO.

- Forze di deplezione: modello e potenziale efficace di Asakura-Oosawa.
Prerequisiti
1) Fondamenti di termodinamica: potenziali termodinamici e loro legame con le quantità osservabili.

2) Fondamenti di fisica statistica:
a) Ensemble canonico e gran canonico, funzione di partizione, legame con le quantità termodinamiche.
b) Fluttuazioni di energia nell'insieme canonico. Fluttuazioni del numero di particelle nell'insieme gran canonico.
c) Gas ideale classico negli insiemi canonico e gran canonico. Lunghezza d'onda termica.
d) Contributo configurazionale alla funzione di partizione ed energia libera in eccesso.
e) Gas ideale in campo esterno: legge barometrica.
Metodi didattici
Il corso consiste di lezioni frontali nel corso delle quali vengono utilizzate sia slides, sia la lavagna. Nelle lezioni viene dato rilievo all'applicazione dettagliata dei metodi descritti a modelli specifici al fine di consentire allo studente di padroneggiarli e di comprenderne pregi e difetti.
Materiale di riferimento
P.N. Pusey, "Colloidal Suspensions", Les Houches, session LI, 1989: Liquids, Freezing, and Glass Transition, Elsevier Science, 1991.

P.G. De Gennes, "Scaling Concepts in Polymer Physics", Cornell University Press, Ithaca, 1988.

M. Doi, "Introduction to Polymer Physics", Oxford University Press, New York, 2006.

C. N. Likos, "Effective Interactions in Soft Condensed Matter Physics", Physics Reports 348, 267 (2001).

J. N. Israelachvili, "Intermolecular and Surface Forces", Academic Press, London, 1998.

J.-L. Barrat and J.-P. Hansen, "Basic Concepts for Simple and Complex Liquids", Cambridge University Press, Cambridge, 2003.

J.-P. Hansen and I. R. McDonald, "Theory of simple liquids", Academic Press, London, 1986.

Fotocopie delle trasparenze del corso.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in un'interrogazione orale. Nel corso dell'esame allo studente vengono poste domande riguardanti gli argomenti svolti, per rispondere alle quali viene richiesto l'uso di carta e penna al fine di descrivere i passaggi o i grafici necessari. Le domande possono riguardare sia la trattazione quantitativa di modelli specifici mediante la descrizione dei metodi ad essi applicati nel corso (ad es., ricavare l'equazione per la densità di probabilità delle configurazioni di un polimero rappresentato come un cammino aleatorio), sia la discussione qualitativa e fenomenologica di aspetti generali (ad es., descrivere il diagramma di fase di un fluido semplice sul piano densità-temperatura). Nell'esame vengono valutate le competenze dello studente in entrambi gli aspetti, con particolare riguardo alla comprensione critica dei passaggi logici dell'argomentazione. La durata dell'esame è generalmente compresa tra 1h e 1h 30'. Ciò consente allo studente di svolgere compiutamente gli argomenti oggetto delle domande ed al docente di ottenere una valutazione approfondita che non sia basata sulla risposta ad una singola domanda.
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente/i