· Introduzione al Corso:
In Natura non esistono stati della materia a struttura perfettamente ordinata. Le deviazioni dall’idealita’ sono indotte anche dalla semplice gravita’ [1] o sofficita’, specialmente in presenza di bassa dimensionalita’ [2]. In numerosi sistemi di interesse fondamentale e applicativo - ad es. amorfi, polimeri e biosistemi - il disordine fa emergere proprieta’ statiche e dinamiche non rintracciabili nei cristalli e nei gas e per le quali è necessario sviluppare nuove e distinte interpretazioni. Particolarmente rilevante è l’intrinseca instabilita’ dei solidi disordinati [3] che li rende di fatto assimilabili a liquidi ultraviscosi se osservati molto a lungo (anche anni e piu’) [4]. Questa instabilita’ condiziona, ad es., la criopreservazione biologica, la durata di memorizzazione dei dati e delle otturazioni dentarie, la bonta’ di un cioccolatino o l’efficacia di una crema di bellezza.
La dinamica ultralenta associata al disordine favorisce la creazione di stati metastabili di non equilibrio. Naturalmente collegati sono gli stati permanentemente fuori equilibrio osservati nella cosiddetta materia attiva - motori nanometrici [5], batteri, cellule viventi [6] e fasi colloidali guidate - dove emergono nuovi fenomeni collettivi [7]. L’ambizione di estendere anche a questi stati i principi zero e secondo della termodinamica e le nozioni associate di temperatura e entropia [8] ha ottenuto rilevanti successi [9], spesso espressi da risultati esatti sorprendentemente semplici [8].
Il ricorso a metodiche sperimentali in grado di rivelare lo scattering elastico e anelastico di raggi X, luce e neutroni è abituale nelle indagini riguardanti struttura e dinamica dei sistemi disordinati. Per quanto riguarda raggi X e neutroni, l’alta risoluzione delle tecniche anelastiche, che impiegano lunghezze d’onda comparabili all’inverso della distanza interatomica e energie corrispondenti a quelle di eccitazione di moti vibrazionali e diffusivi, ha permesso notevoli progressi nella comprensione delle proprieta’ vibrazionali collettive dei liquidi e dei vetri [10] e delle proprieta’ dell’acqua nei sistemi biologici [11].
[1] J.Zhu, M. Li, R.Rogers, W.Meyer, R.H.Ottewill, STS-73 Space Shuttle Crew, W. B. Russel, P. M. Chaikin. Crystallization of hard-sphere colloids in microgravity. Nature 387, 883-885 (1997).
[2] A.H.Castro Neto, F.Guinea, N.M.R. Peres, K.S.Novoselov and A.K.Geim. The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys. 81, 109-162 (2009).
[3] S.F.Swallen et al.. Organic Glasses with Exceptional Thermodynamic and Kinetic Stability. Science 315, 353-356 (2007); Y.Guo et al.. Ultrastable nanostructured polymer glasses, Nature Materials 11, 337–343 (2012); S.Singh, M. D. Ediger, J.J.de Pablo. Ultrastable glasses from in silico vapour deposition. Nature Materials 12, 139–144 (2013).
[4] P. G. Debenedetti, Frank H. Stillinger. Supercooled liquids and the glass transition. Nature 410, 259-267 (2001).
[5] V. Balzani et al.. Autonomous artificial nanomotor powered by sunlight. PNAS 103, 1178–1183 (2006).
[6] G.Popkin. The physics of life, Nature 529, 16 (2016).
[7] M. C. Marchetti, et al.. Hydrodynamics of soft active matter. Rev. Mod. Phys. 85, 1143 (2013).
[8] S.K.Blau, The unusual thermodynamics of microscopic systems. Physics Today 55, 19 (2002). C.Bustamante, J.Liphardt, F. Ritort, The Nonequilibrium Thermodynamics of Small Systems, Physics Today 58, 43 (2005).
[9] J. Kurchan. In and out of equilibrium. Nature 433, 222-225 (2005).
[10] F. Sette, M. H. Krisch, C. Masciovecchio, G. Ruocco, G. Monaco, Dynamics of Glasses and Glass-Forming Liquids Studied by Inelastic X-ray Scattering. Science 280, 1550-1555 (1998).
[11] M. Tehei et al. Neutron scattering reveals extremely slow cell water in a Dead Sea organism. PNAS 104, 766-7771 (2007).
· Obiettivi formativi
Il Corso è diviso in tre parti in cui si intende fornire conoscenze di base in:
o Descrizione ed interpretazione del disordine in liquidi, colloidi, vetri e polimeri.
o Dinamica e termodinamica degli stati di fuori equilibrio nella materia passiva e attiva.
o Tecniche sperimentali di uso corrente nello studio di struttura e dinamica di sistemi disordinati.
· A chi si rivolge
Il Corso affianca, senza alcuna sovrapposizione di programma, i corsi della Laurea Magistrale, Curriculum Fisica della Materia. È rivolto anche a studenti del Curriculum di Fisica Teorica.
· Svolgimento del corso
Il Corso si articolera’ in:
o Lezioni frontali,
o Esercitazioni pratiche con svolgimento di piccoli progetti di tipo informatico e sperimentale,
o Opportunita’ di stage presso large-scale facilities in Italia e Francia.
- Docente: SIMONE CAPACCIOLI
- Docente: DINO LEPORINI