Nel corso si introducono le principali caratteristiche della “materia condensata soffice”: Liquidi e miscele di liquidi, cristalli liquidi, polimeri, gel, colloidi e fasi vetrose. L’esistenza delle meso-fasi e delle fasi fuori-equilibrio è introdotta tramite semplici modelli termodinamici e di meccanica statistica. Alcuni fenomeni verranno illustrati tramite semplici dimostrazioni pratiche.
R.A.L. Jones, Soft Condensed Matter, Oxford University Press 2002.
U. Balucani, M. Zoppi, Dynamics of the Liquid State, Clarendon Press, Oxford 1994.
Hansen, J. P.; McDonald, I. R. Theory of Simple Liquids, 2nd ed.; Academic Press: London, UK, 1986.
Obiettivi Formativi
Conoscenza delle fondamentali proprietà strutturali e dinamiche dei liquidi complessi e soft matter. Comprensione di modelli teorici fondamentali per l’interpretazione di fenomeni statici e dinamici nella materia condensata.
Prerequisiti
Conoscenza di base della termodinamica e della meccanica statistica. Metodi matematici e trasformate di Fourier.
Metodi Didattici
Lezioni frontali (6 CFU, circa 48 ore) con calcoli svolti alla lavagna e uso parallelo di trasparenze per la descrizione di dati e tecniche sperimentali.
Altre Informazioni
Orario di ricevimento studenti:
Guarini: martedi’ 11.00-13.00 presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia, studio 124
Torre: martedi’ 11.00-13.00 presso il LENS, studio 62
Esame orale con eventuale presentazione di una breve relazione (opzionale) su uno degli argomenti trattati.
Programma del corso
Introduzione alla fisica della materia soffice: fenomenologia e complessità di questi materiali. Sistemi in equilibrio termodinamico: Diagrammi di fase ed equazioni di stato. Sistemi fuori equilibrio: fasi metastabili e amorfe.
Potenziali intermolecolari: definizione del potenziale. Tipologia dei legami attrattivi e repulsivi.
Teorie dello stato liquido: Densità di probabilità configurazionale e densità microscopica. Funzione di autocorrelazione delle densità ad una particella. Significato fisico e legame con il potenziale di interazione. Pair theory dei liquidi e proprietà termodinamiche del liquido.
Proprietà meccaniche: tensore degli sforzi, tensore delle deformazioni e delle velocità di deformazione. Equazione costitutiva. Solidi, liquidi Newtoniani e non-Newtoniani. Materiali viscoelastici e semplici modelli teorici.
Scattering di neutroni.
Proprietà ottiche: processi di scattering con esempio dimostrativo in classe. Definizione del tensore di scattering. Diffusione della luce anelastica. Tecniche di rivelazione della radiazione diffusa. Teoria molecolare dello scattering
Transizioni di fase: funzioni di stato, energie libere e loro derivate. Classificazione di Ehrenfest. Fenomeni critici ed esponenti critici. Transizione di fase ordine-disordine e parametri d'ordine. Introduzione alla teoria di Landau.
Miscele liquido-liquido: Opalescenza critica. Teoria statistica della separazione di fase. Introduzione ai concetti di stabilità e metastabilità.
Cristalli Liquidi: Tipologia dei fasi liquido cristalline. Transizione isotropo-nematica: parametro d'ordine orientazionale. Proprietà ottiche di una fase nematica e osservazione sperimentale di fenomeni di birifrangenza ottica: calcolo del intensità di trasmessa tra polarizzatori incrociati.
Teoria di Landau-deGennes per la transizione isotropo-nematica.
Proprietà elastiche: energia di Frank. Proprietà elettriche: energia di interazione tra il campo elettrico e il cristallo liquido. Competizione tra proprietà elastiche ed elettriche, transizione di Frederiks e sua rilevanza tecnologica (Liquid Crystal Display).
Polimeri: caratteristiche chimico-fisiche, struttura, processi di polimerizzazione ed esempi. Modello a catena libera. Modelli di random walk per le catene polimeriche, Gaussian Coil. Calcolo dell'entropia configurazionale e energia libera ; Modello di Kratky-Porod e Raggio di Girazione. Diffusione della luce da una catena polimerica Gaussiana.
Fasi Gel: gel fisici e chimici. Proprietà elastiche: polimeri e gomme; fenomeni di elasticità entropica; modelli di transizione gel e teorie percolative.
Colloidi: definizione e tipologie ; Particella singola e legge di Stokes ; interazioni stocastiche e moto Browniano ; moto diffusivo e legge di Einstein ; Forze interparticella ; Fasi e stabilità.
Fasi vetrose: tipologie di vetri, liquidi metastabili e sistemi fuori equilibrio, evidenze sperimentali di transizione, paradosso di Kauzman. Teorie entropiche e teorie dinamiche della transizione.
Introduzione ai fenomeni dinamici: equazione di Langevin ; teorie diffusione ; teorema fluttazione-dissipazione, accenni alle funzioni memoria.
Cenni alle studi sperimentali:
Introduzione allo scattering di neutroni e raggi X. Studi strutturali in liquidi semplici tramite diffrazione di neutroni e raggi X. Funzione di autocorrelazione delle densità dipendenti dallo spazio e dal tempo. Funzione intermedia di scattering e fattore di struttura dinamico..
Introduzione alla spettroscopia ottica non-lineare, polarizzazione e suscettività non-lineare. Tecniche di four-wave mixing, Osservabili sperimentali, funzione risposta e dinamica. Tecniche sperimentali risolte nel tempo: Effetto Kerr ottico e Transient Grating. Visita ai laboratori.