Soft matter: dalla teoria alle applicazioni
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
La soft matter comprende stati della materia non classificabili nello schema solido-liquido-gas, ma onnipresenti nella vita quotidiana (aggregati di tensioattivi, cristalli liquidi, colloidi, microemulsioni, schiume, gel) e nelle strutture biologiche (membrane, liposomi, proteine, acidi nucleici). Il corso introduce le leggi fondamentali che ne governano le proprietà e fornisce strumenti per modellizzarne l'auto-organizzazione. Verranno inoltre presentate le principali tecniche di caratterizzazione, con un approccio che integra teoria, esperimenti e modelli computazionali. Particolare attenzione sarà dedicata alle applicazioni in ambiti quali industria alimentare, farmaceutica e prodotti di consumo.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito una solida conoscenza teorica della soft matter e dei modelli che ne descrivono il comportamento, sviluppando una comprensione unificata che permette di investigare un'ampia classe di materiali attraverso metodi e modelli comuni. Sarà in grado di applicare i concetti appresi all'interpretazione e alla previsione delle proprietà dei materiali, anche mediante modelli computazionali. Inoltre, svilupperà competenze teoriche e sperimentali nelle principali tecniche di caratterizzazione dei materiali soft, imparando a raccogliere e analizzare dati per correlare struttura e funzionalità. Questo approccio integrato tra teoria, esperimenti e simulazioni fornirà agli studenti gli strumenti di base per comprendere i materiali soft e le loro applicazioni in ambiti avanzati della ricerca scientifica e dell'industria.
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
Introduzione e concetti fondamentali: Definizione di soft matter e classificazione; Forze, energie e tempi caratteristici nei sistemi condensati; Transizioni di fase nella soft matter
Colloidi: Tipologie di colloidi; Interazioni tra particelle in dispersioni colloidali e loro stabilizzazione; Gelificazione e cenni di reologia nei sistemi colloidali; Applicazioni in gel, schiume, emulsioni e colloidi alimentari
Molecole anfifile e fenomeni di autoaggregazione: Tensioattivi: struttura, proprietà e comportamento in soluzione; Monostrati e film di Langmuir-Blodgett, adsorbimento alle interfacce solide; Micellizzazione: aspetti termodinamici e parametri di impaccamento; Applicazioni industriali (bagnabilità, adesione, detergenza) e biomediche
Cristalli liquidi: Classificazione e caratteristiche delle fasi dei cristalli liquidi; Applicazioni nei display, nei materiali intelligenti e nelle bioscienze
Soft matter in sistemi biologici: Membrane fosfolipidiche, DNA, proteine; Approccio di modellazione delle membrane fosfolipidiche e di oligopeptidi in vescicole; Proteine antigelo: classificazione, struttura e applicazioni biomediche
Metodi di caratterizzazione: tecniche di scattering, tensiometria, misure di bagnabilità ed elettrocinetiche
Modellistica per la soft matter:
- Meccanica Molecolare. Campi di forza "all atoms" e Campi di forza "coarse-grain". Il campo di forza MARTINI per la descrizione di membrane, proteine e piccole molecole
- Dinamica Molecolare (MD): Spazio delle fasi di un sistema e il problema del campionamento, integrazione delle equazioni del moto. Simulazione di sistemi finiti. Condizioni periodiche al contorno. Simulazione a temperatura costante. Analisi delle simulazioni
- Monte Carlo (MC): approccio "hit and miss", importance sampling, e algoritmo di Metropolis, confronto tra simulazioni MC e MD
Colloidi: Tipologie di colloidi; Interazioni tra particelle in dispersioni colloidali e loro stabilizzazione; Gelificazione e cenni di reologia nei sistemi colloidali; Applicazioni in gel, schiume, emulsioni e colloidi alimentari
Molecole anfifile e fenomeni di autoaggregazione: Tensioattivi: struttura, proprietà e comportamento in soluzione; Monostrati e film di Langmuir-Blodgett, adsorbimento alle interfacce solide; Micellizzazione: aspetti termodinamici e parametri di impaccamento; Applicazioni industriali (bagnabilità, adesione, detergenza) e biomediche
Cristalli liquidi: Classificazione e caratteristiche delle fasi dei cristalli liquidi; Applicazioni nei display, nei materiali intelligenti e nelle bioscienze
Soft matter in sistemi biologici: Membrane fosfolipidiche, DNA, proteine; Approccio di modellazione delle membrane fosfolipidiche e di oligopeptidi in vescicole; Proteine antigelo: classificazione, struttura e applicazioni biomediche
Metodi di caratterizzazione: tecniche di scattering, tensiometria, misure di bagnabilità ed elettrocinetiche
Modellistica per la soft matter:
- Meccanica Molecolare. Campi di forza "all atoms" e Campi di forza "coarse-grain". Il campo di forza MARTINI per la descrizione di membrane, proteine e piccole molecole
- Dinamica Molecolare (MD): Spazio delle fasi di un sistema e il problema del campionamento, integrazione delle equazioni del moto. Simulazione di sistemi finiti. Condizioni periodiche al contorno. Simulazione a temperatura costante. Analisi delle simulazioni
- Monte Carlo (MC): approccio "hit and miss", importance sampling, e algoritmo di Metropolis, confronto tra simulazioni MC e MD
Prerequisiti
Elementi di termodinamica (energia potenziale, entalpia, entropia, energia libera di Gibbs, potenziale chimico, leggi dei gas ideali), cinetica (equazione cinetica, energia di attivazione) ed elettrochimica (potenziale elettrico, costante dielettrica), con cui lo studente si è familiarizzato nei corsi introduttivi di chimica e chimica fisica (I e II).
Metodi didattici
Lezioni frontali (48 h), laboratorio sperimentale in piccolo gruppo (24 h) ed esercitazioni di utilizzo di programmi computazionali (24 h).
Materiale di riferimento
- I.W. Hamley, Introduction to Soft Matter, Wiley, 2007
- R. Jones, Soft Condensed Matter, Oxford University Press, 2002
- A. Leach Molecular Modeling, Principles and Applications, Pearson Education Limited, 2001
- Materiale fornito dai docenti caricato sul sito Ariel del corso
- R. Jones, Soft Condensed Matter, Oxford University Press, 2002
- A. Leach Molecular Modeling, Principles and Applications, Pearson Education Limited, 2001
- Materiale fornito dai docenti caricato sul sito Ariel del corso
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Orale: l'esame inizia con un argomento scelto dallo studente. L'esame verificherà che lo studente abbia compreso le leggi fondamentali che regolano il comportamento della soft matter. Lo studente deve anche preparare una breve relazione circa le attività laboratoriali e di simulazione.
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 9
Laboratori: 48 ore
Lezioni: 48 ore
Lezioni: 48 ore
Docenti:
Meroni Daniela, Pieraccini Stefano
Docente/i
Ricevimento:
Su appuntamento
Ufficio del docente (Dipartimento di Chimica- Piano Terra - Corpo B) oppure via MS Teams