Quali sono le caratteristiche del corso di Fisica della Materia Soffice?

Il corso è di tipo complementare (a scelta), con valore di 8 crediti. E' un corso del primo anno, nel senso che può essere seguito e fatto già al primo anno della magistrale, anche se presumibilmente la maggior parte degli studenti lo farà al secondo. Il corso non ha propedeuticità. Consiste in lezioni frontali senza prove d'esonero o scritti. L'esame finale è di tipo orale sugli argomenti del programma del corso.

Il corso prevede anche alcune parti di approfondimento, tipicamente dispense fornite da me durante il corso. Questo va inteso come materiale didattico che fornisco e/o discuto per chi è particolarmente interessato o vuol comprendere meglio alcuni argomenti ma che non chiedo all'esame orale.

Perchè scegliere di seguire il corso?

Il corso si inquadra in un curriculum di studi rivolto alla fisica della materia (material science) e alla fisica statistica.

Esso è complementare ai corsi classici di fisica della materia "dura" (quali quelli di fisica dello stato solido) in quanto affronta argomenti che non vengono trattati in questi ultimi. Esempi sono:

• proprietà meccaniche (elasticità e visco-elasticità)

• interazioni intermolecolari e "forza atomica"

• proprietà delle superfici (es. bagnatura ed idrofobicità, adsorbimento, effetti di capillarità)

• polimeri (proprietà meccaniche, statistiche,

• dispersioni colloidali (es. colloidi, schiume, emulsioni)

• strutture auto-aggreganti e biologiche.

Il "taglio didattico" si differenzia da quello della fisica dello stato solido in quanto vi è scarsa necessità di ricorrere alla meccanica quantistica (per quanto possa sembrare strano, non ci sono Hamiltoniane!). Tranne alcune eccezioni (es. forze di London, effetto Casimir), i fenomeni discussi in fisica della soft matter sono di natura complessa e più efficacemente descritti ricorrendo al linguaggio dell'elettromagnetismo classico e della meccanica (statistica) classica.

Le nozioni di fisica necessarie ad affrontare gli argomenti del corso coinvolgono alcuni aspetti di termodinamica, di meccanica statistica e di elettromagnetismo. Questi sono tutti richiamati nelle prime lezioni del corso.

Un outline del soggetto di studio è presente in fondo, come risposta all'ultima domanda di questa lista di FAQ (vedi "Cosa si intende per materia soffice?").

Dove posso trovare il programma del corso?

Il programma del corso di Fisica della Materia Soffice per l'A.A. 2021-22 (laurea magistrale in Fisica) è reperibile:

• In alto in questa pagina.

• Nel sito docenti (https://www.docenti.unina.it/stefano.lettieri) dove sono disponibili anche i riferimento ai libri di testo usati.

• Nella pagina "news" di questo sito.

Come posso contattare il docente per chiedere ulteriori informazioni?

Per informazioni o spiegazioni gli studenti possono contattarmi in uno dei seguenti modi:

• via mail: uno degli indirizzi riportati in cima a questa pagina

• tramite Microsoft Teams: cercare Stefano Lettieri (stefano.lettieri@unina.it)

• Telefono: 081-676809 (numero del mio studio)

• Di persona: Dip. di Fisica, Monte S. Angelo, studio 2Ma-15.

[Nota: in fase di limitazione degli accessi per COVID consiglio usare la mail o Teams].

Il mio orario di ricevimento ufficiale è riportato nel sito docente, ma potete cercarmi anche in un qualsiasi altro momento: se non sono particolarmente impegnato vi riceverò, altrimenti prenderemo appuntamento per un momento successivo.

Cosa si intende per materia soffice?

Viene considerata “materia soffice” (o “soft matter”, come viene di solito chiamata) un qualsiasi materiale condensato in uno stato che non essere classificato né come un semplice liquido né come un solido cristallino. Intuitivamente, possiamo dire che appartengono alla categoria di “materiale soffice” quei materiali il cui stato appare in qualche modo come una “via di mezzo” tra un liquido ed un solido. Esistono diversi esempi di soft matter che possiamo trarre dalla vita di tutti i giorni: i saponi, le schiume, le vernici, la gomma o le colle.

Rivolgiamo un po’ di attenzione al cibo di cui nutriamo: è facile vedere che molti dei “liquidi” e dei “solidi” presenti nelle nostre cucine non sono esattamente dei liquidi o dei solidi semplici. Possiamo fare l’esempio dello yogurth, delle gelatine, delle uova sode o del burro. Molti di questi “liquidi strani” sono i componenti della nostra alimentazione e, come vedremo, questa cosa non è casuale. Agli occhi di un fisico della materia infatti anche le cellule stesse e i materiali biologici di cui siamo fatti (e quelli che possiamo metabolizzare) sono classificabili come “soft matter”.

Una definizione precisa di materia soffice non può essere data allo stesso modo in cui si classifica una molecola, o un cristallo semiconduttore o dielettrico (non a caso di solito con riferimento alla soft matter si parla di “sistemi complessi”). Possiamo individuare delle categorie di materiali soffici e delle caratteristiche comuni. Tra le categorie di materiali soffici, possiamo certamente includere:

o Le dispersioni colloidali (dette anche “colloidi”) in cui particelle solide o liquide o gassose di dimensioni sub-micrometriche sono disperse in un altro liquido (per particelle solide si parla di colloidi, nel caso di particelle liquide di emulsioni mentre per “particelle” gassose abbiamo a che fare con le schiume);

o I polimeri (allo stato solido o in soluzione), in cui la connettività fra macromolecole dà vita a nuove proprietà, intermedie fra quelle di un liquido e di un solido, quali ad esempio la viscoelasticità;

o I cristalli liquidi, in cui la struttura molecolare anisotropica porta a stati di aggregazione relativamente ordinati anche in assenza di un potenziale elettrostatico periodico (da cui il nome “cristalli liquidi”).

o I sistemi sovramolecolari, quali ad esempio le micelle (come quelle presenti nei detersivi o nei saponi in soluzione, presenti nei detersivi), le vescicole e le membrane cellulari, che formano spontaneamente strutture complesse (ed es. bilayers, sfere o cilindri), dette strutture auto-organizzate o auto-assemblate.

Alcune caratteristiche comuni fra i materiali soffici sono:

• L'importanza delle scale di lunghezze intermedie fra le scale atomiche e quelle macroscopiche. Ad esempio, le strutture auto-assemblate (citate prima) o polimeri in soluzione hanno grandezze dell’ordine delle decine o di nanometri. Il comportamento del materiale che ne risulta potrà essere descritto con modelli “a grana grossa” che non devono tenere conto dei dettagli su scala atomica. Come vedremo nel corso, ad esempio molte caratteristiche dei polimeri non richiedono modellizzazione chimica e soluzione del “problema elettronico”, ma nascono semplicemente dal fatto che essi sono macromolecole allungate e flessibili, che si dispongono nello spazio in modo casuale e con mutua interazione repulsiva.

• L'importanza delle forze intermolecolari come elemento coesivo tra elementi base. Ad esempio, nanoparticelle colloidali e polimeri in soluzione interagiscono tra loro nel liquido tramite forze elettrostatiche e di Van der Waals. Ciò implica che la forza dei legami fra gli elementi base costituenti è sensibilmente inferiore a quelle che tengono la coesione in un solido cristallino, e quindi aumenta l’importanza delle fluttuazioni e del moto browniano.

• La propensità a formare strutture auto-organizzate. In altri termini, una caratteristica fondamentale della materia soffice è che il suo stato di equilibrio non è di solito uno stato di banale uniformità, ma porta alla formazione di strutture tridimensionali “gerarchiche” in cui le molecole si organizzano in strutture sovramolecolari (ad es. micelle) che a loro volta interagiscono formando un ordine di livello superiore. Questa tendenza ad un qualche tipo di “ordine spontaneo” porta ad esempio alla formazione di membrane cellulari e di strutture funzionali che costituiscono il substrato necessario per i processi biologici.

Il programma del corso introduce alla fisica dei materiali soffici. Gli argomenti trattati sono tutti affrontabili in un contesto classico o semiclassico, senza l'uso di formalismi quantistici. Gli strumenti di analisi usati saranno prevalentemente l'elettromagnetismo classico, la termodinamica e alcune considerazioni di meccanica statistica. Le nozioni necessarie già affrontate nei corso di Laurea Triennale sono richiamate a inizio corso, altre (per lo studio delle forze intermolecolari) sono introdotte ad hoc. Il corso non ha propedeuticità.

Anche se gli argomenti centrati sulla modellizzazione sono importanti in questo corso, cercheremo di mantenere una discreta attenzione anche su aspetti pratici ed applicativi, prevedendo inoltre una sessione di lezioni finale ad hoc su problematiche moderne (prevalentemente nel settore energetico e/o ambientale) e relative tecnologie basate su alcuni dei materiali studiati.

Come si svolge l'esame?

L'esame è orale. Di solito dura intorno ad 1h e 30 perché cerco di discutere diversi argomenti: non ha senso farvi studiare tutto un corso con vari argomenti per poi toccarne solo un paio e con domande specifiche e veloci (considerando anche che non facciamo scritti o prove di esonero).

La modalità di esame è la seguente: chiedo innanzitutto di parlare di un paio di argomenti in modo molto generale (es. «parliamo dei polimeri») senza chiedere un aspetto specifico, e lascio parlare liberamente lo studente per 10-12 minuti senza interromperlo, per «rompere il ghiaccio». In questa fase è apprezzata soprattutto la capacità di sintesi, la capacità di seguire un filo logico e di dire con precisione le cose fondamentali senza perdere tempo in fatti secondari e o in «conticini». Successivamente passo a fare delle domande più puntuali, magari prevedendo anche un breve esercizio o, se l’esame va molto bene, magari qualche domanda in cui testo l’intuito chiedendo qualcosa che non ho spiegato in dettaglio.