Master degree in Materials Science

L'obiettivo del corso è di fornire una panoramica sulle potenzialità della spettroscopia a raggi X per la caratterizzazione di specie molecolari e materiali (eventualmente nanostrutturati) e sviluppare congiuntamente le basi teoriche e le competenze sperimentali necessarie per applicare tali metodi di analisi a problemi di ricerca di natura multi-disciplinare. Il corso sarà focalizzato sulle spettroscopie di assorbimento ed emissione, nei range energetici dei raggi X duri e morbidi, in particolare per applicazioni in chimica, scienza dei materiali e nanotecnologia. Attraverso un training pratico, il corso intende anche fornire conoscenze e competenze rispetto trattamento dati ed analisi di base per le spettroscopie discusse e le modalità di accesso alle facility internazionali di luce di sincrotrone ove tali medodi vengono applicati.

  DIDATTICA ALTERNATIVA - Gli obiettivi del corso sono invariati.

• Consolidamento di nozioni di base relative a: Basi fisiche dell'interazione radiazione-materia ed il loro utilizzo nella caratterizzazione spettroscopica di sistemi molecolari e materiali; Sorgenti di raggi X e proprietà dei raggi X prodotti, e relative opportunità nell'ambito della caratterizzazione
• Acquisizione delle conoscenze e competenze teoriche e sperimentali richieste per applicare ed interpretare le tecniche spettroscopiche di assorbimento ed emissione di raggi X per determinare le proprietà elettroniche e strutturali d specie molecolari e (nano-)materiali.
• Comprensione delle differenze e le complementarità connesse all'utilizzo di raggi X duri e morbidi e capacità di applicarle a problemi di caratterizzazione.
• Acquisizione di conoscenze e competenze operative rispetto a: i) Pretrattamento ed analisi base di dati XAS; ii) Progettazione, proposta ed esecuzione di esperimenti presso large scale facilities di sincrotrone.

  DIDATTICA ALTERNATIVA - I risultati dell'apprendimento sono invariati.

Le lezioni frontali (3 CFU) e il modulo di laboratorio (1 CFU) saranno tenuti in inglese. Le lezioni frontali saranno tenute (anche) in presenza, come da orario.

  DIDATTICA ALTERNATIVA - Nel perdurare della emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione del corso (lezioni frontali e attività di laboratorio) anche in modalità telematica, tramite:

• On-line streaming delle lezioni frontali - connettersi al seguente link Webex connect con lo stesso orario previsto per le lezioni in presenza:
  

              https://unito.webex.com/meet/elisa.borfecchia 

• Registrazioni (asincrone) di tutte le lezioni frontali (3 CFU)
  
• Video-training e guida dettagliata relativa alle attività di laborotorio (1 CFU)

Tutto il materiale (lezioni frontali + LAB) è disponibile sulla piattaforma Moodle, da: o, alternativamente, solo in caso di difficoltà di accesso a Moodle, seguendo le istruzioni nella sezione "Materiale Didattico".

• Organizzazione di sessioni di incontro e discussione on-line tramite la piattaforma Webex, con calendarizzazione comunicata via e-mail agli studenti iscritti al corso.
• Si raccomanda agli studenti di registrarsi al corso su Moodle e, appena possibile su CampusNet, allo scopo di ricevere tutte le relative comunicazioni e di contattare via e-mail il docente per ogni altra questione.
  

La modalità di verifica dell'apprendimento consisterà in un esame orale, organizzato come segue:

• Presentazione (15/20 min, 10/15 slide) riguardante un argomento a scelta trattato nel/inerente al corso (ad esempio, una tecnica spettroscopica a raggi X o una sua specifica implementazione sperimentale, un esempio di applicazione delle tecniche di spettroscopia a raggi X in uno specifico ambito di ricerca o un "caso di studio", ...). Partendo dall'argomento selezionato, lo studente dovrà anche essere in grado di rispondere a domande di natura generale sugli argomenti trattati nel corso.
• Logbook digitale (file .pdf) relativo alle attività svolte nel laboratorio di trattamento ed analisi dati, da inviare al docente via e-mail almeno una settimana prima della data d'esame.
• La valutazione del logbook (giudizi A, B, C) rappresenterà un bonus rispetto al voto (X/30) conseguito nell'esame orale (A: + 2/30; B: + 1/30; C: + 0/30). Nel caso di consegna successiva alla scadenza fissata, lo studente riceverà una penalità di -2/30 rispetto al voto ottenuto nell'esame orale.
• La consegna del logbook, al più tardi entro il giorno precedente la data d'esame, è comunque condizione necessaria per essere ammessi all'esame orale.

  ESAMI A DISTANZA - Nel perdurare della emergenza sanitaria dovuta al Covid-19 e fino a quando saranno in vigore le disposizioni contenute nel Decreto Rettorale 2576/2020 del 23.07.2020, gli esami si terranno in modalità telematica utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex. Istruzioni specifiche saranno inviate prima di ogni sessione via e-mail agli studenti iscritti all'esame.

Per ogni dubbio inerente i contenuti del corso o le attività di laboratorio, l'organizzazione dell'esame o la scelta/svolgimento dell'argomento per la presentazione di esame, si raccomanda agli studenti di contattare via e-mail il docente: all'occorrenza il docente è disponibile ad organizzare incontri di ricevimento on-line via Webex.

• Breve riepilogo di: (i) Interazione radiazione-materia ed applicazione dei principali meccanismi di interazione nell’ambito della caratterizzazione dei materiali: processi di trasmissione, scattering, assorbimento, eccitazione e decadimento, con particolare attenzione alla regione spettrale dei raggi X. (ii) Sorgenti di raggi X, dai tubi a raggi X a sincrotroni e XFEL: meccanismi di produzione dei fotoni X, proprietà principali della radiazione prodotta ed implicazioni nell’ambito della caratterizzazione di sistemi molecolari e materiali.

• Spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) con raggi X duri: principi base della tecnica, requisiti sperimentali e relativi setup e schemi di rilevazione, regioni XANES ed EXAFS: basi teoriche e informazioni ottenibili.
• Spettroscopia di assorbimento ed emissione di raggi X con raggi X morbidi: considerazioni generali sui requisiti sperimentali e le basi teoriche in confronto con quanto visto utilizzando raggi X duri. NEXAFS con raggi X morbidi: sensibilità chimico-elettronica degli spettri NEXAFS alle soglie K degli elementi leggeri (C, O, N) e alle soglie L dei metalli di transizione. Spettroscopia NEXAFS dipendente dalla polarizzazione. Complementarità con le medesime tecniche utilizzando raggi X duri. Setup sperimentali ed approcci avanzati per raccolta dati a pressione ambiente.
• Spettroscopia di Emissione di raggi X (XES) con raggi X duri: principi base della tecnica; sensibilità chimica delle transizioni XES “core-to-core” e “valence-to-core” alle proprietà elettroniche di centri metallici ed ai rispettivi leganti; XANES ad alta risoluzione energetica (HERFD-XANES) e XES risonante (r-XES/RIXS); setup sperimentali: sorgente, spettrometro, detector.
• Spettroscopia a raggi X risolta in tempo a diverse scale temporali: Approcci Quick-EXAFS ed EXAFS dispersivo; approcci “laser-pump X-ray probe” per caratterizzazione di sistemi fotoattivi su scala “ultra-fast”.
• Spettroscopia a raggi X risolta in spazio: Introduzione alle ottiche ed alle metodologie di focalizzazione nel range spettrale dei raggi X; tecniche di micro(nano)-spettroscopia & spettro-micro(nano)scopia utilizzando raggi X duri e morbidi.
• Esempi selezionati di applicazione della spettroscopia a raggi X: ioni di transizione in reticoli micro-porosi
• Esercitazioni pratiche relative a: (i) Ottimizzazione del campione per misure XAS e valutazione del migliore metodo di rilevazione dello spettro; (ii) Trattamento e analisi qualitativa di dati XAS utilizzando il software ATHENA; (iii) Analisi di tipo "Linear Combination Fit" su data XANES utilizzando il software ATHENA; (iv) Semplici fit EXAFS utilizzando il software ARTEMIS.

  DIDATTICA ALTERNATIVA - Il programma del corso è invariato.

• Registrazioni delle lezioni e slide proiettate a lezione (sufficienti a preparare adeguatamente l'esame)
• Ulteriori testi consigliati:
• van Bokhoven, J. A.; Lamberti, C., X-Ray Absorption and X-Ray Emission Spectroscopy: Theory and Applications. Wiley: 2016.
• Stöhr, J., NEXAFS Spectroscopy. Springer Berlin Heidelberg: 2013.
• Calvin, S., XAFS for Everyone. Taylor & Francis: 2013.
• Review di letteratura, da individuare a seconda degli specifici esempi di applicazione selezionati anche considerando il feedback degli studenti nel corso delle lezioni