Sintesi dei materiali inorganici boh.docx

# La tavola periodica e le sue proprietà La tavola periodica, fondamentale strumento per la comprensione della chimica, organizza gli elementi in base alle loro proprietà periodiche, derivanti dalla loro configurazione elettronica. ## 1. Storia e struttura della tavola periodica I primi tentativi di classificazione degli elementi risalgono al XIX secolo: * **Triadi di Döbereiner (1830 circa):** Raggruppamento di tre elementi con proprietà chimiche simili (es. alogeni). * **Legge delle ottave di Newlands (1860 circa):** Osservazione che le proprietà degli elementi si ripetono ogni sette elementi se disposti per peso atomico crescente, escludendo i gas nobili. * **Tavola periodica di Mendeleev (1869):** Classificazione basata sul peso atomico, con l'intuizione di lasciare spazi vuoti per elementi non ancora scoperti e la capacità di prevedere le loro proprietà. Gli elementi nella tavola periodica moderna sono disposti in ordine crescente di numero atomico. La tavola è strutturata in **periodi** (righe orizzontali), dove le proprietà variano progressivamente, e **gruppi** (colonne verticali), dove gli elementi presentano proprietà chimiche simili. ## 2. Proprietà periodiche Le proprietà periodiche degli elementi sono strettamente legate alla configurazione elettronica dei loro orbitali esterni. Le principali proprietà periodiche includono: * Potenziale di ionizzazione * Affinità elettronica * Dimensioni atomiche e ioniche * Elettronegatività * Carattere metallico e numeri di ossidazione ### 2.1 Carica nucleare efficace ($Z^*$) La carica nucleare efficace rappresenta la carica positiva netta che un elettrone in un atomo poli-elettronico percepisce, tenendo conto dell'effetto schermante degli altri elettroni. Negli atomi con più elettroni, la carica del nucleo è parzialmente schermata dagli elettroni interni, riducendo la carica effettiva sentita dagli elettroni più esterni. $$Z^* = Z - S$$ Dove: * $Z$ è il numero atomico (carica nucleare reale). * $S$ è il fattore di schermamento (o costante di schermamento). La carica nucleare efficace aumenta lungo un periodo (all'aumentare di $Z$, ma con $S$ che aumenta meno proporzionalmente) e generalmente diminuisce lungo un gruppo (all'aumentare del numero quantico principale $n$, aumentando lo schermo degli elettroni più interni). #### 2.1.1 Regole di Slater Le regole di Slater sono delle approssimazioni empiriche per calcolare il fattore di schermamento ($S$) e, di conseguenza, la carica nucleare efficace ($Z^*$). La procedura generale prevede: 1. **Scrivere la configurazione elettronica completa** dell'atomo, raggruppando gli elettroni per tipo di orbitale e per numero quantico principale ($n$). 2. **Identificare l'elettrone di interesse.** 3. **Calcolare $S$ sommando i contributi degli altri elettroni:** * Elettroni nello stesso gruppo/sottogruppo (stesso $n$): $0.35$ per ogni altro elettrone (o $0.30$ per gli orbitali $1s$). * Elettroni nei gruppi/sottogruppi con $n-1$: $0.85$ per ogni elettrone (o $0.80$ se $n$ è maggiore di 2). * Elettroni nei gruppi/sottogruppi con $n-2$ o inferiore: $1.00$ per ogni elettrone. * **Eccezioni:** Per elettroni in orbitali $d$ o $f$, gli elettroni in orbitali $s$ e $p$ dello stesso guscio contano come $1.00$. > **Tip:** Le regole di Slater forniscono un'approssimazione utile, ma non sempre precisa, della carica nucleare efficace. Sono particolarmente utili per comprendere le tendenze generali. La carica nucleare efficace influenza la forza con cui gli elettroni sono attratti dal nucleo, determinando proprietà come il raggio atomico e il potenziale di ionizzazione. Un valore elevato di $Z^*$ per gli elettroni di valenza suggerisce una forte attrazione nucleare, portando a una minore reattività. ### 2.2 Potenziale di ionizzazione Il potenziale di ionizzazione ($IP$) è l'energia minima richiesta per rimuovere un elettrone da un atomo o ione in fase gassosa allo stato fondamentale. $$X_{(g)} + Energia \rightarrow X^+_{(g)} + e^-$$ * **Potenziale di prima ionizzazione ($IP_1$):** Rimozione del primo elettrone dall'atomo neutro. * **Potenziale di seconda ionizzazione ($IP_2$):** Rimozione del primo elettrone dallo ione mono-positivo. > **Tip:** L'elettrone rimosso nel processo di prima ionizzazione appartiene generalmente allo shell più esterno. Nei metalli di transizione, nonostante il riempimento degli orbitali $ns$ avvenga prima dei $nd$, gli elettroni $ns$ vengono rimossi per primi durante la ionizzazione a causa di una maggiore $Z^*$ sugli orbitali $nd$ nello ione. In generale, il potenziale di ionizzazione: * **Aumenta lungo un periodo:** A causa dell'aumento di $Z^*$ e della diminuzione del raggio atomico, gli elettroni esterni sono più strettamente legati. * **Diminuisce lungo un gruppo:** A causa dell'aumento del numero quantico principale $n$, del raggio atomico e dell'effetto schermante, gli elettroni esterni sono più lontani dal nucleo e meno attratti. #### 2.2.1 Eccezioni al potenziale di ionizzazione * **Idrogeno:** Possiede un alto potenziale di ionizzazione poiché ha un singolo elettrone molto vicino al nucleo. * **Gas nobili:** Hanno potenziali di ionizzazione molto elevati a causa della loro configurazione elettronica stabile (ottetto completo). * **Elementi con orbitali semipieni o pieni:** La rimozione di un elettrone da un orbitale semipieno o pieno richiede un'energia maggiore rispetto a quanto previsto dalla tendenza generale. ### 2.3 Affinità elettronica L'affinità elettronica ($AE$) è l'energia rilasciata o assorbita quando un elettrone viene aggiunto a un atomo in fase gassosa per formare uno ione negativo. $$X_{(g)} + e^- \rightarrow X^-_{(g)} + Energia$$ Una variazione di energia negativa indica che il processo è esotermico (rilascio di energia), il che significa che l'atomo ha una forte tendenza ad accettare un elettrone. > **Tip:** La formazione dello ione $O^{2-}$ è un processo endotermico complessivo, ma il primo passaggio ($O + e^- \rightarrow O^-$) è esotermico. La stabilità dello ione ossido bivalente si ottiene grazie all'energia reticolare nel reticolo cristallino. Le tendenze generali dell'affinità elettronica sono meno marcate rispetto al potenziale di ionizzazione. Generalmente: * Aumenta lungo un periodo (diventa più negativa) fino al gruppo 17, per poi diminuire per i gas nobili. * Diminuisce lungo un gruppo (diventa meno negativa). ### 2.4 Dimensioni atomiche e ioniche Il **raggio atomico** è la metà della distanza tra i nuclei di due atomi adiacenti in una molecola o in un reticolo cristallino. * **Diminuisce lungo un periodo:** L'aumento di $Z^*$ e il minor numero di gusci elettronici portano a una maggiore attrazione nucleare e a un raggio atomico minore. * **Aumenta lungo un gruppo:** L'aggiunta di nuovi gusci elettronici aumenta significativamente il raggio atomico. Il **raggio ionico** si riferisce alle dimensioni degli ioni. * **Cationi:** Sono più piccoli degli atomi neutri da cui derivano, poiché la perdita di elettroni riduce la repulsione elettrostatica. * **Anioni:** Sono più grandi degli atomi neutri da cui derivano, poiché l'aggiunta di elettroni aumenta la repulsione elettrostatica. * Il raggio ionico **aumenta** scendendo lungo un gruppo. * Per ioni della stessa carica, il raggio ionico **diminuisce** lungo un periodo. * Per ioni della stessa serie elettronica (stesso numero di elettroni), il raggio ionico **diminuisce** all'aumentare della carica nucleare. ### 2.5 Elettronegatività L'elettronegatività è la misura della tendenza di un atomo ad attrarre elettroni in un legame chimico. La scala più utilizzata è quella di Pauling. * **Aumenta lungo un periodo:** Gli atomi con maggiore $Z^*$ e minore raggio atomico attraggono più fortemente gli elettroni di legame. * **Diminuisce lungo un gruppo:** Gli elettroni di legame sono più distanti dal nucleo e meno attratti. I non metalli (specialmente alogeni e ossigeno) sono altamente elettronegativi, mentre i metalli alcalini e alcalino-terrosi sono poco elettronegativi. > **Tip:** L'elettronegatività è importante per prevedere la polarità dei legami chimici. Una grande differenza di elettronegatività tra due atomi indica un legame fortemente polarizzato o ionico. --- # Lo stato solido e le strutture cristalline Ecco un riassunto completo dell'argomento "Lo stato solido e le strutture cristalline", preparato come guida di studio per un esame. ## 2. Lo stato solido e le strutture cristalline Questa sezione esplora le diverse forme in cui la materia può esistere allo stato solido, distinguendo tra strutture ordinate e disordinate, e analizza in dettaglio i principi geometrici che governano la disposizione degli atomi nei cristalli. ### 2.1 Stati solidi: cristallini e amorfi Lo stato solido è caratterizzato da un volume e una forma propri, con particelle in grado di eseguire solo moti vibrazionali. Le forze coesive sono elevate, e la materia allo stato solido presenta una disposizione spaziale più o meno ordinata. La maggior parte degli elementi e dei composti si trova allo stato solido a temperatura ambiente. Gli stati solidi si suddividono principalmente in due categorie: #### 2.1.1 Solidi cristallini Questi solidi sono definiti da: * **Punto di fusione netto e definito**: la transizione allo stato liquido avviene a una temperatura precisa. * **Distribuzione ordinata degli atomi**: le particelle (atomi, ioni o molecole) sono disposte secondo uno schema periodico, omogeneo e continuo nello spazio tridimensionale. * **Anisotropia**: molte proprietà fisiche (come la conducibilità elettrica o la resistenza meccanica) dipendono dalla direzione all'interno del cristallo. All'interno dei solidi cristallini, si possono identificare quattro sottocategorie principali in base al tipo di legame predominante: 1. **Metalli**: ioni metallici tenuti insieme da un "mare" di elettroni mobili. Sono caratterizzati da bassa energia di ionizzazione, elevata malleabilità, lucentezza e alta conducibilità termica ed elettrica. 2. **Solidi ionici**: un ordinato aggregato di cationi e anioni legati da forze elettrostatiche. Sono generalmente duri, fragili e presentano alti punti di fusione ed ebollizione. 3. **Solidi estesi o covalenti**: atomi legati covalentemente attraverso l'intera struttura tridimensionale. Sono molto duri, con elevati punti di fusione ed ebollizione, e spesso insolubili in acqua. 4. **Solidi molecolari**: aggregati di molecole discrete, tenute insieme da forze intermolecolari (come le forze di Van der Waals). Hanno generalmente bassi punti di fusione e sono cattivi conduttori. #### 2.1.2 Solidi amorfi (vitrosi) Considerati una via di mezzo tra solidi e liquidi, questi materiali sono caratterizzati da: * **Ordine a corto raggio**: la disposizione ordinata delle particelle è limitata solo alle immediate vicinanze di un atomo o molecola, senza una periodicità estesa. * **Isotropia**: le proprietà fisiche sono uniformi in tutte le direzioni. * **Intervallo di fusione ampio**: non hanno un punto di fusione definito, ma si ammorbidiscono gradualmente su un intervallo di temperature. Questo disordine è dovuto alla diversa energia dei legami. * **Lenta cristallizzazione**: per formare un solido vetroso, la sostanza deve avere una tendenza alla cristallizzazione lenta. Il vetro è un esempio emblematico di solido amorfo. ### 2.2 Reticoli spaziali e celle elementari La disposizione regolare degli atomi nei solidi cristallini può essere descritta mediante un **reticolo spaziale**, una rete tridimensionale di punti (nodi) che rappresentano le posizioni degli atomi. L'unità fondamentale ripetitiva di questo reticolo è la **cella elementare**, la più piccola porzione di reticolo che, ripetuta indefinitamente in tutte le direzioni, genera l'intera struttura cristallina e ne conserva la simmetria. Le dimensioni e la forma di una cella elementare sono definite da tre vettori reticolari ($\vec{a}$, $\vec{b}$, $\vec{c}$) e dai tre angoli ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$) compresi tra di essi. ### 2.3 Reticoli di Bravais In natura, i cristalli adottano uno dei **14 reticoli di Bravais**, che rappresentano tutte le possibili configurazioni geometriche di punti nello spazio tridimensionale che mantengono la simmetria del cristallo. Questi 14 reticoli sono classificati in 7 sistemi cristallini e possono presentarsi in 4 tipi fondamentali di celle elementari: * **Cella semplice (o primitiva)**: un solo punto reticolare per cella, situato ai vertici. * **Cella a corpo centrato**: contiene punti reticolari ai vertici più un punto al centro del volume della cella. * **Cella a facce centrate**: contiene punti reticolari ai vertici più un punto al centro di ciascuna delle sei facce. * **Cella a basi centrate**: contiene punti reticolari ai vertici più un punto al centro di una coppia di facce opposte. #### 2.3.1 Conteggio dei punti di cella Per determinare il numero effettivo di atomi o unità formula all'interno di una cella elementare, si considerano le seguenti contribuzioni: * Atomo/punto interamente all'interno della cella: contribuisce per 1. * Atomo/punto al centro di una faccia: contribuisce per $\frac{1}{2}$ (condiviso con un'altra cella). * Atomo/punto al centro di uno spigolo: contribuisce per $\frac{1}{4}$ (condiviso con quattro celle). * Atomo/punto a un vertice: contribuisce per $\frac{1}{8}$ (condiviso con otto celle). ### 2.4 Tipi di impaccamento e strutture compatte Gli atomi, gli ioni o le molecole in un cristallo tendono ad impacchettarsi in modo da minimizzare gli spazi vuoti, cercando la configurazione più stabile energeticamente. Assumendo particelle sferiche di uguale raggio, si possono descrivere differenti tipi di impaccamento. #### 2.4.1 Strutture compatte Le strutture più compatte che si possono ottenere con sfere di uguale raggio sono: 1. **Esagonale compatta (HC)**: Struttura ottenuta impilando strati di sfere. In questa struttura, ogni sfera è in contatto con altre 12 sfere (numero di coordinazione 12). Il frazionamento del volume occupato dalle sfere è del 74%. La sequenza di impilamento degli strati è ABABAB... 2. **Cubica compatta (CC) o Cubica a facce centrate (FCC)**: Anche questa struttura ha un numero di coordinazione 12. Il frazionamento del volume occupato dalle sfere è anch'esso del 74%. La sequenza di impilamento degli strati è ABCABC... In entrambe queste strutture compatte, per $n$ sfere totali, si formano: * $2n$ cavità tetraedriche (con raggio $r_{cavità} \approx 0.225r_{sfera}$). * $n$ cavità ottaedriche (con raggio $r_{cavità} \approx 0.414r_{sfera}$). Queste cavità sono fondamentali per l'alloggiamento di ioni più piccoli nei cristalli ionici. #### 2.4.2 Altre strutture cristalline Oltre alle strutture compatte, esistono altre disposizioni meno densamente impaccate: * **Cubica a corpo centrato (BCC)**: Numero di coordinazione 8. Il frazionamento del volume occupato è circa il 68%. È una struttura comune per molti metalli. * **Cubica semplice (SC)**: Numero di coordinazione 6. Il frazionamento del volume occupato è circa il 52%. È meno comune per atomi di uguali dimensioni. * **Tetraedrica**: Numero di coordinazione 4. Il frazionamento del volume occupato è circa il 34%. > **Tip:** La scelta della struttura cristallina non dipende solo dalla dimensione delle particelle, ma anche dalle forze di legame presenti (ionico, covalente, metallico, van der Waals). ### 2.5 Cristalli ionici I cristalli ionici sono formati da cationi e anioni tenuti insieme da forti attrazioni elettrostatiche. Le forze ioniche non sono direzionali, il che favorisce un impacchettamento denso, guidato dal rapporto tra i raggi del catione e dell'anione ($r_c/r_a$). * **Caratteristiche**: Sono generalmente duri ma fragili. Per deformarli, è necessario vincere le forti attrazioni elettrostatiche. Se si applica una forza sufficiente a far slittare gli strati, ioni di carica opposta possono avvicinarsi, causando forte repulsione e frattura. * **Strutture comuni**: * **AX (stechiometria 1:1)**: Struttura salgemma (es. NaCl), a cloruro di cesio (CsCl), sfalerite (ZnS), wurtzite, NiAs. * **AX$_2$ (stechiometria 1:2)**: Fluorite (CaF$_2$), antifluorite (K$_2$O), rutilo (TiO$_2$), CdI$_2$, CdCl$_2$. #### 2.5.1 Struttura del cloruro di sodio (NaCl) È una delle strutture più comuni per composti AX. Consiste in due reticoli FCC interpenetrant: gli anioni (Cl$^-$) formano un reticolo FCC, mentre i cationi (Na$^+$) occupano tutte le cavità ottaedriche di questo reticolo. Entrambi gli ioni hanno un numero di coordinazione di 6. Una cella elementare di NaCl contiene 4 unità di NaCl. #### 2.5.2 Struttura del cloruro di cesio (CsCl) Questa struttura è meno compatta della NaCl. È descritta come due reticoli cubici semplici sfalsati, uno con ioni Cs$^+$ e l'altro con ioni Cl$^-$. Il numero di coordinazione è 8 per entrambi gli ioni. #### 2.5.3 Struttura del solfuro di zinco (ZnS) Esiste in due polimorfi principali: blenda (cubica) e wurtzite (esagonale). In entrambe, gli anioni (S$^{2-}$) formano un reticolo compatto (FCC per la blenda, esagonale compatta per la wurtzite) e i cationi (Zn$^{2+}$) occupano metà delle cavità tetraedriche. Il numero di coordinazione è 4 per entrambi gli ioni. #### 2.5.4 Struttura della fluorite (CaF$_2$) Gli anioni (F$^-$) sono disposti in un reticolo FCC e i cationi (Ca$^{2+}$) occupano tutte le cavità tetraedriche. Il Ca$^{2+}$ ha coordinazione 8 rispetto agli F$^-$, e ogni F$^-$ ha coordinazione 4 rispetto ai Ca$^{2+}$. L'antifluorite (es. K$_2$O) è una struttura inversa. #### 2.5.5 Struttura del rutilo (TiO$_2$) Gli anioni (O$^{2-}$) formano un reticolo esagonale compatto, e i cationi (Ti$^{4+}$) occupano una frazione dei siti ottaedrici. La coordinazione intorno al Ti è ottaedrica. > **Tip:** Il rapporto tra i raggi catione/anione ($r_c/r_a$) è un fattore chiave nel determinare la struttura di un cristallo ionico. Valori specifici di questo rapporto favoriscono determinate coordinazioni e tipi di cavità. ### 2.6 Metalli e strutture cristalline metalliche I cristalli metallici sono costituiti da ioni positivi immersi in un mare di elettroni di valenza delocalizzati, tenuti insieme dal legame metallico. * **Proprietà**: * Alta conducibilità elettrica e termica (dovuta agli elettroni mobili). La conducibilità diminuisce con l'aumentare della temperatura a causa dell'agitazione termica che ostacola il movimento degli elettroni. * Lucentezza e opacità (dovute alla riflessione della luce da parte degli elettroni delocalizzati). * Elevata duttilità e malleabilità (dovute alla capacità degli strati atomici di scorrere l'uno sull'altro senza rompere i legami). * Formazione di cationi positivi. * **Strutture cristalline comuni**: * **Cubica a corpo centrato (BCC)**: numero di coordinazione 8. * **Cubica a facce centrate (FCC)** o **Esagonale compatta (HC)**: numero di coordinazione 12. * Molti metalli presentano **allotropia**, ovvero possono cristallizzare in forme diverse (con strutture differenti) a seconda della temperatura e della pressione. Generalmente, all'aumentare degli elettroni di valenza, le strutture tendono a diventare più compatte (da BCC a FCC/HC). ### 2.7 Semiconduttori, isolanti e metalli: la teoria delle bande La differenza tra metalli, isolanti e semiconduttori può essere spiegata tramite la **teoria delle bande**, che descrive come gli orbitali atomici degli atomi in un cristallo si combinano per formare bande di energia continue. * **Banda di valenza**: la banda più alta occupata da elettroni nello stato fondamentale. * **Banda di conduzione**: la banda immediatamente superiore alla banda di valenza, generalmente vuota nello stato fondamentale. * **Band gap ($\Delta E$ o $E_g$)**: l'intervallo di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione. #### 2.7.1 Classificazione in base alle bande * **Metalli**: La banda di valenza e la banda di conduzione si sovrappongono, o la banda di valenza è solo parzialmente riempita. Gli elettroni possono muoversi facilmente a stati energetici superiori con una minima aggiunta di energia, garantendo alta conducibilità elettrica. Non c'è band gap. * **Isolanti**: La banda di valenza è completamente piena, e la banda di conduzione è completamente vuota. Il band gap è molto ampio (tipicamente $> 4$ eV), richiedendo un'enorme quantità di energia per eccitare gli elettroni nella banda di conduzione. La conducibilità è praticamente nulla. * **Semiconduttori (non drogati o intrinseci)**: La banda di valenza è piena e la banda di conduzione è vuota, ma il band gap è relativamente piccolo (es. circa 1.1 eV per il silicio). A temperatura ambiente, una piccola frazione di elettroni viene eccitata termicamente nella banda di conduzione, creando portatori di carica (elettroni e lacune) e conferendo una conducibilità misurabile ma inferiore a quella dei metalli. #### 2.7.2 Conducibilità e temperatura * Nei **metalli**, la conducibilità diminuisce all'aumentare della temperatura a causa delle maggiori vibrazioni del reticolo. * Nei **semiconduttori** e negli **isolanti**, la conducibilità aumenta all'aumentare della temperatura, poiché più elettroni acquisiscono l'energia necessaria per superare il band gap e raggiungere la banda di conduzione. #### 2.7.3 Semiconduttori drogati La conducibilità dei semiconduttori può essere drasticamente aumentata e controllata tramite il drogaggio, l'introduzione di piccole quantità di impurità. * **Semiconduttori di tipo n**: Drogaggio con elementi che hanno un elettrone di valenza in più rispetto al semiconduttore puro. Si crea una banda di energia "donatrice" molto vicina alla banda di conduzione, piena di elettroni che possono essere facilmente eccitati. I portatori di carica maggioritari sono gli elettroni. * **Semiconduttori di tipo p**: Drogaggio con elementi che hanno un elettrone di valenza in meno. Si crea una banda di energia "accettrice" molto vicina alla banda di valenza, con poche vacanze (lacune) che possono accettare elettroni dalla banda di valenza. I portatori di carica maggioritari sono le lacune. ### 2.8 Cristalli molecolari e covalenti #### 2.8.1 Cristalli molecolari Costituiti da molecole discrete, tenute insieme da forze intermolecolari (principalmente forze di Van der Waals, a volte legami a idrogeno). * **Caratteristiche**: Bassa energia di legame intermolecolare, quindi bassi punti di fusione ed ebollizione, sono volatili, ottimi isolanti elettrici e buoni conduttori termici. Sono facilmente deformabili e solubili in solventi con polarità simile. #### 2.8.2 Cristalli covalenti (o reticoli estesi) Atomi legati covalentemente in una rete tridimensionale continua. * **Caratteristiche**: Legami covalenti molto forti e direzionali, che portano a elevatissima durezza, altissimi punti di fusione ed ebollizione, e insolubilità in molti solventi. Sono isolanti elettrici allo stato solido ma diventano conduttori allo stato fuso. ##### 2.8.2.1 Allotropi del carbonio: diamante e grafite * **Diamante**: Struttura tetraedrica ($sp^3$ ibridazione), ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro. È estremamente duro, trasparente, isolante e ottimo conduttore di calore. * **Grafite**: Struttura stratificata, con atomi di carbonio legati in anelli esagonali planari ($sp^2$ ibridazione) all'interno di ciascuno strato. Gli strati sono tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals. La grafite è scura, opaca, con notevole conducibilità elettrica e termica nella direzione parallela agli strati, e ha proprietà lubrificanti. È la forma più stabile termodinamicamente a temperatura ambiente. ### 2.9 Difetti nei cristalli Nessun cristallo è perfettamente perfetto; la presenza di difetti modifica le proprietà del materiale. I difetti sono classificati in base alla loro dimensione e impatto sulla stechiometria. * **Difetti puntuali**: Riguardano uno o pochi atomi/ioni. * **Vacanza**: Assenza di un atomo/ione dal suo sito reticolare. * **Difetto di Frenkel**: Un atomo/ione lascia il suo sito per occupare un sito interstiziale. Più comune per i cationi. * **Difetto di Schottky**: Coppia di vacanze (cationica e anionica) per mantenere la neutralità di carica. * **Centro di colore**: Vacanze o impurità che assorbono luce visibile, conferendo colore al cristallo. * **Difetti lineari (o di dislocazione)**: Difetti in una linea, importanti per la plasticità dei metalli. * **Difetti di superficie**: Caratterizzano la superficie del cristallo. * **Difetti di volume**: Difetti tridimensionali, come inclusioni o precipitati. > **Tip:** La presenza di difetti è spesso desiderata per modificare le proprietà elettroniche o meccaniche dei materiali (es. drogaggio nei semiconduttori, colorazione dei vetri). ### 2.10 Applicazioni dei materiali solidi La comprensione delle strutture cristalline e delle proprietà dei materiali solidi è fondamentale per innumerevoli applicazioni tecnologiche: * **Semiconduttori**: Fondamentali per l'elettronica (diodi, transistor, circuiti integrati), utilizzati in dispositivi come laser, sensori e celle fotovoltaiche. Il drogaggio permette di modulare la loro conducibilità. * **Superconduttori**: Materiali che presentano resistenza elettrica nulla al di sotto di una certa temperatura critica. Hanno applicazioni in magneti superconduttori (es. in RMN, acceleratori di particelle), treni a levitazione magnetica e cavi ad alta efficienza energetica. * **Materiali ceramici avanzati**: Come carburo di silicio (SiC) e nitruro di silicio (Si$_3$N$_4$), usati per la loro elevata durezza, resistenza al calore e agli agenti chimici in applicazioni refrattarie, componenti per alte temperature e rinforzi. * **Allotropi del carbonio**: Diamante per abrasivi e elettronica di potenza; grafite per elettrodi, lubrificanti e materiali compositi; fullereni e nanotubi di carbonio per nanomateriali avanzati, elettronica flessibile, catalisi e applicazioni biomediche. * **Materiali compositi**: Fibre di carbonio o ceramiche incorporate in una matrice (polimerica, metallica o ceramica) per ottenere materiali con elevate proprietà meccaniche specifiche (resistenza, leggerezza). * **Celle fotovoltaiche**: Dispositivi che convertono l'energia solare in elettrica, con diverse generazioni basate su silicio, semiconduttori composti o principi di funzionamento più avanzati come le celle di Grätzel o OPV (Organic Photovoltaics). --- # Cristalli ionici e legame metallico Questo argomento esplora la natura e le strutture dei cristalli ionici, i fattori che ne influenzano la formazione e il concetto del legame metallico, inclusa la teoria delle bande e la classificazione dei materiali in metalli, isolanti e semiconduttori. ### 3.1 Solidi cristallini e la loro classificazione Lo stato solido è una fase della materia con volume e forma propri, caratterizzata da moti vibrazionali e forze coesive elevate. I solidi cristallini si distinguono per un punto di fusione netto e definito, una disposizione ordinata e periodica degli atomi e proprietà che dipendono dalla direzione (anisotropia). Esistono quattro sottocategorie principali di solidi cristallini: * **Metalli:** Ioni positivi tenuti insieme da un "mare" di elettroni delocalizzati. Presentano basso potenziale di ionizzazione, sono malleabili, lucenti e dotati di alta conducibilità termica ed elettrica. * **Solidi ionici:** Unione ordinata di cationi e anioni attratti elettrostaticamente. Sono duri, fragili e possiedono elevati punti di fusione ed ebollizione. * **Solidi estesi o covalenti:** Atomi legati covalentemente in una rete tridimensionale continua. Sono estremamente duri, con punti di fusione ed ebollizione elevati, e insolubili in acqua. * **Solidi molecolari:** Aggregati di singole molecole tenute insieme da forze intermolecolari deboli. I solidi amorfi, invece, presentano un ordine solo a corto raggio, hanno proprietà isotrope e un intervallo di raffreddamento definito anziché un punto di fusione netto. #### 3.1.1 Reticoli cristallini e celle elementari La disposizione ordinata degli atomi nei solidi cristallini è descritta da un reticolo spaziale, una maglia immaginaria dove i nodi rappresentano le posizioni degli atomi. L'unità ripetitiva fondamentale che contiene tutte le informazioni per la struttura finale del cristallo è la cella elementare. Le celle elementari sono definite da tre vettori reticolari ($\vec{a}$, $\vec{b}$, $\vec{c}$) e dai tre angoli ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$) tra di essi. Esistono 14 reticoli di Bravais, che rappresentano tutte le possibili combinazioni di celle elementari e sistemi cristallini. Le celle elementari possono essere classificate in base alla posizione dei punti reticolari: * **Semplice (o primitiva):** Punti reticolari solo ai vertici. * **A corpo centrato:** Punti reticolari ai vertici e uno al centro del corpo della cella. * **A facce centrate:** Punti reticolari ai vertici e uno al centro di ogni faccia. * **A basi centrate:** Punti reticolari ai vertici e uno al centro di una coppia di facce opposte. Il conteggio dei punti per cella elementare si basa sulla frazione di ciascun punto che appartiene alla cella: * Punti all'interno della cella: 1 * Punti sulle facce: $\frac{1}{2}$ * Punti sugli spigoli: $\frac{1}{4}$ * Punti sui vertici: $\frac{1}{8}$ #### 3.1.2 Impaccamento negli strati cristallini Gli atomi o gli ioni in un cristallo tendono ad impaccarsi il più compattamente possibile per minimizzare gli spazi vuoti, influenzati da forze attrattive e repulsive. In un impacchettamento compatto di sfere identiche, si formano due tipi di cavità: * **Cavità tetraedriche:** Formate da quattro sfere (tre in uno strato e una sopra o sotto). * **Cavità ottaedriche:** Formate da sei sfere (tre in uno strato e tre nello strato adiacente). Se $n$ è il numero di sfere in un impacchettamento, si avranno $2n$ cavità tetraedriche e $n$ cavità ottaedriche. Le strutture di impacchettamento compatto più comuni sono: * **Struttura esagonale compatta (HCP):** Ottenuta con una sequenza di strati ABABAB... Ha un numero di coordinazione (NC) di 12. * **Struttura cubica compatta (FCC):** Ottenuta con una sequenza di strati ABCABC... Ha un numero di coordinazione (NC) di 12. Entrambe le strutture occupano il 74% del volume totale. Altre strutture con impacchettamento meno compatto includono: * **Struttura cubica a corpo centrato (BCC):** NC = 8, occupazione del volume del 68%. * **Struttura a cubo semplice (SC):** NC = 6, occupazione del volume del 52%. * **Struttura tetraedrica:** NC = 4, occupazione del volume del 34%. ### 3.2 Cristalli ionici I cristalli ionici sono solidi costituiti da cationi e anioni tenuti insieme da forze elettrostatiche (Coulombiane). Le forze non direzionali favoriscono un impacchettamento compatto. #### 3.2.1 Proprietà e strutture dei cristalli ionici I cristalli ionici sono generalmente duri e fragili. La fragilità deriva dalla repulsione Coulombiana che si verifica quando, sotto stress, strati di ioni con carica opposta si allineano, portando alla rottura del cristallo. La durezza è dovuta alle forti forze attrattive Coulombiane che resistono alla deformazione. La struttura di un cristallo ionico è determinata dal rapporto tra le dimensioni del catione e dell'anione ($r_c/r_a$), dalla tendenza a massimizzare il numero di coordinazione e dalla repulsione tra ioni con la stessa carica. I cationi sono generalmente più piccoli degli anioni e si inseriscono nelle cavità del reticolo anionico. Il rapporto dei raggi ionici ($r_c/r_a$) influenza la coordinazione: un rapporto più piccolo limita il numero di anioni che possono circondare un catione. I cristalli ionici possono presentare diverse stechiometrie, le più comuni sono AX (1:1) e AX2 (1:2). **Strutture comuni per composti AX (stechiometria 1:1):** * **Struttura del salgemma (NaCl):** Tipica del cloruro di sodio. Gli anioni formano un reticolo FCC e i cationi occupano i siti ottaedrici. Ogni ione ha un numero di coordinazione di 6. * **Struttura del cloruro di cesio (CsCl):** Caratterizzata da un numero di coordinazione di 8. I cationi e gli anioni sono disposti ai vertici di due reticoli cubici semplici spostati l'uno rispetto all'altro. * **Struttura della sfalerite (ZnS):** Un polimorfo del solfuro di zinco. Gli anioni formano un reticolo FCC e i cationi occupano metà dei siti tetraedrici. NC = 4. * **Struttura della wurtzite (ZnS):** Un altro polimorfo del solfuro di zinco. Gli anioni formano un reticolo esagonale compatto e i cationi occupano metà dei siti tetraedrici. NC = 4. **Strutture comuni per composti AX2 (stechiometria 1:2):** * **Struttura della fluorite (CaF2):** Gli ioni positivi (Ca2+) formano un reticolo FCC, e gli ioni negativi (F-) occupano tutti i siti tetraedrici. Ogni Ca2+ è coordinato da 8 F-, e ogni F- da 4 Ca2+ (struttura tetraedrica). * **Struttura dell'antifluorite (K2O):** Invertita rispetto alla fluorite, con gli anioni che formano il reticolo FCC e i cationi che occupano i siti tetraedrici. * **Struttura del rutilo (TiO2):** Gli anioni formano un reticolo esagonale compatto e i cationi occupano siti ottaedrici. La coordinazione attorno al catione (Ti) è ottaedrica. #### 3.2.2 Formazione del reticolo ionico (Ciclo di Born-Haber) L'energia di reticolo, l'energia rilasciata nella formazione di un reticolo cristallino ionico da ioni gassosi, può essere calcolata indirettamente attraverso il ciclo di Born-Haber. Questo ciclo considera le seguenti tappe termochimiche per la formazione di un composto ionico come KCl a partire dagli elementi nei loro stati standard: 1. **Sublimazione dell'elemento solido:** Conversione dell'elemento solido nel suo stato gassoso (es. K(s) $\rightarrow$ K(g)). 2. **Prima ionizzazione:** Rimozione di un elettrone dall'atomo gassoso per formare un catione (es. K(g) $\rightarrow$ K+(g) + e-). 3. **Dissociazione dell'elemento molecolare:** Scomposizione della molecola elementare in atomi gassosi (es. $\frac{1}{2}$Cl2(g) $\rightarrow$ Cl(g)). 4. **Affinità elettronica:** Acquisizione di un elettrone da parte dell'atomo gassoso per formare un anione (es. Cl(g) + e- $\rightarrow$ Cl-(g)). 5. **Formazione del reticolo:** Combinazione degli ioni gassosi per formare il cristallo ionico solido, rilasciando energia di reticolo. La somma delle entalpie di queste tappe, più l'entalpia di formazione del composto, è uguale a zero secondo la legge di Hess, permettendo di ricavare l'energia di reticolo. ### 3.3 Legame metallico e teoria delle bande Il legame metallico descrive l'interazione tra atomi metallici in un solido, caratterizzata da elettroni di valenza delocalizzati che "legano" un reticolo di ioni positivi. #### 3.3.1 Teoria degli orbitali molecolari e bande di energia Nella teoria degli orbitali molecolari applicata ai solidi, la combinazione di $n$ orbitali atomici porta alla formazione di $n$ orbitali molecolari. In un cristallo, un numero quasi infinito di orbitali atomici interagisce per formare bande di energia continue: * **Banda di valenza:** La banda a più alta energia contenente elettroni allo stato fondamentale. * **Banda di conduzione:** Una banda ad energia superiore, separata dalla banda di valenza da un "band gap" (dislivello energetico) o sovrapposta ad essa. Gli elettroni possono muoversi liberamente all'interno di una banda e saltare nella banda di conduzione se l'energia fornita è sufficiente a superare il band gap. #### 3.3.2 Metalli, isolanti e semiconduttori La classificazione dei materiali in metalli, isolanti e semiconduttori si basa sull'estensione del riempimento delle bande di energia e sull'ampiezza del band gap. * **Metalli:** La banda di valenza è parzialmente riempita o sovrapposta alla banda di conduzione. Non esiste un band gap significativo, il che consente agli elettroni di muoversi facilmente anche con una piccola differenza di potenziale, conferendo alta conducibilità elettrica e termica. La conducibilità dei metalli diminuisce con l'aumentare della temperatura a causa dell'aumento delle vibrazioni reticolari che ostacolano il movimento degli elettroni. * **A T=0K:** La banda di conduzione è parzialmente riempita fino all'energia di Fermi. * **A T>0K:** Gli elettroni possono essere eccitati termicamente negli stati vuoti della banda di conduzione. * **Isolanti:** La banda di valenza è completamente riempita, e la banda di conduzione è vuota. Il band gap è molto ampio (tipicamente > 6 eV), impedendo agli elettroni di raggiungere la banda di conduzione tramite eccitazione termica. La conducibilità è quasi nulla. * **A T=0K:** La banda di valenza è piena, la banda di conduzione è vuota. L'energia di Fermi si trova a metà tra le due bande. * **A T>0K:** L'eccitazione termica non è sufficiente a superare il band gap. * **Semiconduttori:** La banda di valenza è piena, e la banda di conduzione è vuota a 0K. Il band gap è significativamente più piccolo rispetto agli isolanti (tipicamente 0.7-3 eV). A temperature più elevate, gli elettroni possono essere eccitati termicamente nella banda di conduzione, generando una conducibilità misurabile che aumenta con la temperatura. * **A T=0K:** La banda di valenza è piena, la banda di conduzione è vuota. L'energia di Fermi si trova a metà del band gap. * **A T>0K:** Gli elettroni sono eccitati termicamente nella banda di conduzione, aumentando la conducibilità. #### 3.3.3 Semiconduttori drogati La conducibilità dei semiconduttori intrinseci (puri) può essere notevolmente aumentata e controllata tramite il drogaggio, ovvero l'aggiunta di piccole quantità di impurità. * **Semiconduttori di tipo n:** Drogaggio con un elemento che ha più elettroni di valenza del semiconduttore ospite. Si crea una banda energetica fittizia (banda donatrice) appena al di sotto della banda di conduzione. Gli elettroni da questa banda vengono facilmente promossi nella banda di conduzione, aumentando la concentrazione di cariche negative. * **Semiconduttori di tipo p:** Drogaggio con un elemento che ha meno elettroni di valenza. Si crea una banda energetica fittizia (banda accettrice) appena al di sopra della banda di valenza. Questo introduce "lacune" (posizioni elettroniche vuote) nella banda di valenza, che si comportano come cariche positive mobili. La conducibilità dei semiconduttori drogati aumenta significativamente con la temperatura. #### 3.3.4 Applicazioni dei semiconduttori Le proprietà modulabili dei semiconduttori, in particolare la conducibilità, li rendono fondamentali per l'elettronica moderna. La giunzione p-n, formata dall'unione di un semiconduttore di tipo p e uno di tipo n, è il componente base per molti dispositivi: * **Diodo:** Permette il flusso di corrente in una direzione e lo blocca nell'altra. * **Transistor:** Funziona come interruttore o amplificatore di segnale. * **Circuito integrato (microchip):** Contiene milioni o miliardi di transistor e altri componenti per l'elaborazione dati. * **Celle fotovoltaiche:** Convertono l'energia solare in energia elettrica. * **Laser semiconduttori:** Emettono luce coerente e monocromatica. * **Sensori:** Utilizzati per rilevare gas, liquidi e altre sostanze. Il band gap di un semiconduttore può essere determinato sperimentalmente misurando la sua conducibilità in funzione della temperatura o della lunghezza d'onda della luce incidente. #### 3.3.5 Superconduttori I superconduttori sono materiali che, al di sotto di una temperatura critica ($T_c$), presentano resistenza elettrica nulla ed espellono i campi magnetici interni (effetto Meissner). * **Superconduttori di Tipo 1:** Metalli e leghe semplici con $T_c$ generalmente molto basse ed espulsione completa del campo magnetico. * **Superconduttori di Tipo 2:** Metalli con bassa conducibilità, ossidi ceramici e leghe complesse con $T_c$ più elevate e un'espulsione parziale o stratificata del campo magnetico. La teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) spiega la superconduttività di Tipo 1 attraverso la formazione di coppie di Cooper, elettroni che si attraggono indirettamente tramite fononi (vibrazioni del reticolo cristallino) a basse temperature. I superconduttori trovano applicazione in magneti per risonanza magnetica, treni a levitazione magnetica e cavi per trasmissione di energia. ### 3.4 Cristalli molecolari e covalenti #### 3.4.1 Cristalli molecolari Nei cristalli molecolari, le unità costitutive sono molecole tenute insieme da deboli forze intermolecolari (Van der Waals, legami idrogeno). * **Caratteristiche:** Basse temperature di fusione ed ebollizione, cattivi conduttori elettrici, facilmente deformabili, solubili in solventi con caratteristiche simili. Le forze di Van der Waals sono significativamente più deboli delle forze dei legami chimici. #### 3.4.2 Cristalli covalenti Nei cristalli covalenti, gli atomi sono legati da forti legami covalenti direzionali in una rete tridimensionale continua. * **Caratteristiche:** Elevatissimi punti di fusione ed ebollizione, estrema durezza (es. diamante), isolanti elettrici a basse temperature ma conduttori dopo la fusione. * **Allotropi del Carbonio:** * **Diamante:** Struttura tetraedrica 3D con atomi di carbonio ibridati $sp^3$. È trasparente, isolante, durissimo e ottimo conduttore termico. * **Grafite:** Struttura a strati 2D di atomi di carbonio ibridati $sp^2$ legati da forti legami covalenti all'interno degli strati e deboli forze di Van der Waals tra gli strati. È scura, opaca, lubrificante e conduttrice di elettricità e calore lungo i piani. È la forma termodinamicamente più stabile a temperatura ambiente. * **Fullereni:** Molecole chiuse di carbonio (es. C60, "buckball"). Il C60 è composto da 12 pentagoni e 20 esagoni ed è geometricamente simile a un pallone da calcio. Sono ottimi accettori di elettroni e hanno applicazioni in medicina, superconduttività e celle solari. * **Nanotubi di carbonio:** Cilindri cavi formati da strati di grafene arrotolati. Possono essere conduttori, semiconduttori o isolanti a seconda della loro chiralità. Sono estremamente resistenti e leggeri, con potenziali applicazioni in microelettronica e nanomateriali. ### 3.5 Difetti nei cristalli Tutti i cristalli reali presentano difetti che influenzano le loro proprietà. I difetti possono essere stechiometrici (non alterano la composizione chimica) o non stechiometrici (alterano la composizione). * **Difetti puntuali:** * **Difetto di Frenkel:** Uno ione o atomo lascia il suo sito reticolare per occupare un sito interstiziale. * **Vacanza:** Assenza di un atomo o ione da un sito reticolare. * **Difetto di Schottky:** Coppia di vacanze anionica e cationica che mantengono la neutralità di carica del cristallo. * **Difetti di linea (dislocazioni):** Anomalie nella disposizione degli atomi lungo una linea. * **Difetti di superficie:** Anomalie ai bordi del cristallo. * **Difetti di volume:** Anomalie tridimensionali (es. inclusioni). I difetti possono essere indesiderati (contaminazione) o desiderati per migliorare le prestazioni del materiale (es. drogaggio dei semiconduttori). --- # Nanomateriali e applicazioni dei semiconduttori La seguente guida di studio riassume i nanomateriali (fullereni, nanotubi e fibre di carbonio) e le applicazioni dei semiconduttori, concentrandosi sui contenuti delle pagine 23-42. ## 4. Nanomateriali e applicazioni dei semiconduttori Questa sezione esplora le proprietà, la sintesi e le diverse applicazioni dei nanomateriali a base di carbonio, nonché l'ampio spettro di dispositivi basati sui semiconduttori che sono fondamentali per la tecnologia moderna. ### 4.1 Fullereni, nanotubi di carbonio e fibre di carbonio #### 4.1.1 Fullereni I fullereni sono una famiglia di allotropi del carbonio, che rappresentano l'unica forma finita di questo elemento. La loro struttura molecolare è unica e ben definita, a differenza delle strutture reticolari infinite del diamante e della grafite. * **Struttura e Composizione:** * Il fullerene più noto è il C$_{60}$, comunemente chiamato "buckyball", composto da 60 atomi di carbonio equivalenti. * Geometricamente, il C$_{60}$ assomiglia a un icosaedro troncato, con 12 pentagoni (ciascuno circondato da cinque esagoni) che chiudono la struttura sferica. * Tutti i fullereni contengono esattamente 12 pentagoni; il numero di esagoni varia, determinando le dimensioni e la forma della molecola. Il numero totale di atomi di carbonio è sempre pari. * Il C$_{60}$ è la molecola più sferica conosciuta. Fullereni più grandi tendono ad allungarsi o a sviluppare "punte". * Il C$_{60}$ è un eccellente attrattore di elettroni. * **Sintesi:** * Originariamente scoperti come sottoprodotto della sintesi dei fullereni mediante evaporazione di elettrodi di grafite con scariche elettriche in elio (metodo di Smalley, poi modificato per aumentare la resa). * Altre tecniche includono la sintesi mediante vaporizzazione laser e la sintesi mediante forno solare, che permettono di controllare meglio le condizioni per ottenere percentuali maggiori di specifici fullereni o nanotubi. * La purificazione dei fullereni sintetizzati avviene tramite estrazione con solventi organici aromatici e tecniche cromatografiche (su colonna e HPLC) per separare i diversi tipi di fullereni. * **Proprietà e Reattività:** * I fullereni sono generalmente poco solubili in solventi comuni, ma la solubilità può essere migliorata attraverso l'introduzione di gruppi funzionali (es. alogenazione, idrossilazione, alchilazione). * Partecipano a varie reazioni chimiche, tra cui addizioni, reazioni di ciclizzazione, polimerizzazione e idrogenazione. * I metano-fullereni sono strutture con un ciclopropano addizionato. * **Applicazioni:** * **Superconduttori:** Gli addotti di fullereni con metalli alcalini possono manifestare proprietà superconduttrici. * **Medicina:** Potenziale inibitore dell'HIV e altre applicazioni ancora in fase sperimentale, sfruttando le loro proprietà di trasporto e rilascio. * **Celle solari (Bulk Heterojunction):** Utilizzati come accettori di elettroni in celle solari organiche (celle "di plastica"), in combinazione con polimeri donatori di elettroni. Il PCBM (un derivato metano-fullerenico) è comunemente impiegato. * **Sensori:** Le loro dimensioni nanometriche e la capacità di adsorbire gas li rendono utili per la realizzazione di sensori ottici e per l'adsorbimento di gas. * **Caratterizzazione:** La bassa solubilità limita l'uso di tecniche come NMR e spettrometria di massa. Modifiche chimiche migliorano la solubilità, consentendo studi magnetici, di conducibilità o di diffrazione a polvere. #### 4.1.2 Nanotubi di carbonio I nanotubi di carbonio (CNT) sono strutture tubulari a base di carbonio, derivanti dall'arrotolamento di fogli di grafene. Sono considerati materiali monodimensionali, con la lunghezza predominante sul diametro. * **Struttura:** * Possono essere a parete singola (SWCNT) o a parete multipla (MWCNT), con gusci concentrici di grafene. * Formati esclusivamente da esagoni di carbonio. * Le proprietà elettriche (conduttore, semiconduttore o isolante) dipendono dalla chiralità (modalità di arrotolamento del grafene) e dal diametro. * **Sintesi:** * Spesso prodotti come sottoprodotto della sintesi dei fullereni mediante arco elettrico. * Altre tecniche includono la sintesi mediante vaporizzazione laser e la deposizione chimica da vapore (CVD). La CVD tende a produrre principalmente MWCNT di dimensioni maggiori. * La purificazione è essenziale per rimuovere contaminanti (altre forme di carbonio, particelle metalliche del catalizzatore) tramite metodi fisici (centrifugazione) e chimici (ossidazione, riduzione, trattamento acido). * **Proprietà:** * **Meccaniche:** Eccezionale resistenza alla trazione e al carico, grande flessibilità (possono essere piegati ripetutamente fino a 90 gradi senza rompersi). * **Elettriche:** Possono essere conduttori metallici con elevata conducibilità o semiconduttori, a seconda della chiralità. * **Termiche:** Ottimi conduttori termici. * **Ottiche:** Luminescenti, assorbono ed emettono nel vicino infrarosso, utili per sensori ottici. * **Applicazioni:** * **Microelettronica:** Le loro dimensioni nanometriche e le proprietà elettriche li rendono candidati per sostituire il silicio, aprendo la strada alla nanoelettronica. * **Materiali compositi:** Utilizzati come rinforzi in polimeri, resine o metalli per migliorare le proprietà meccaniche. * **Trasporto di farmaci:** Impiegati come vettori per l'incapsulamento e il rilascio controllato di principi attivi nel corpo umano. * **Sensori:** Le proprietà di adsorbimento di gas e la luminescenza li rendono adatti per la fabbricazione di sensori. * **Emissione di campo:** Utilizzati in microscopi elettronici per ottenere immagini ad alta risoluzione. #### 4.1.3 Fibre di carbonio Le fibre di carbonio sono filamenti di carbonio, generalmente ottenuti da precursori come il poliacrilonitrile (PAN), processati termicamente. Presentano prestazioni inferiori rispetto ai nanotubi ma costi molto più bassi, rendendole ampiamente utilizzate. * **Struttura:** Fibre filiformi composte prevalentemente da carbonio, con un orientamento delle catene molecolari che conferisce elevata resistenza lungo l'asse della fibra. * **Produzione:** Ottenute attraverso processi termici (carbonizzazione e stabilizzazione) a partire da precursori polimerici. Vengono poi intrecciate per formare tessuti o impiegate in matrici polimeriche, resinose o metalliche per creare materiali compositi. * **Proprietà:** * Elevata resistenza meccanica e alla trazione, soprattutto lungo l'asse della fibra. * Bassa densità. * Buona resistenza chimica. * Meno isotropicamente conduttive rispetto ai nanotubi. * **Applicazioni:** * **Materiali compositi:** Ampiamente utilizzate per rinforzare resine, polimeri e metalli, creando strutture leggere e resistenti per l'industria aerospaziale, automobilistica, attrezzature sportive (es. biciclette, racchette da tennis) e componenti strutturali. * **Tessuti tecnici:** Intrecciate in varie configurazioni per ottenere proprietà meccaniche specifiche. ### 4.2 Applicazioni dei semiconduttori I semiconduttori sono materiali la cui conducibilità elettrica si colloca tra quella dei conduttori e degli isolanti. La loro proprietà fondamentale è la capacità di modulare la conducibilità tramite drogaggio, rendendoli essenziali per un'ampia gamma di dispositivi elettronici. #### 4.2.1 Concetti fondamentali * **Diagramma a bande:** Nei solidi cristallini, gli orbitali atomici si fondono per formare bande di energia. Nei semiconduttori, la banda di valenza è piena e la banda di conduzione è vuota (o parzialmente piena). La separazione tra queste bande è chiamata "band gap" ($E_g$). * **Metallo:** La banda di valenza e quella di conduzione si sovrappongono o sono molto vicine; non c'è band gap. * **Isolante:** Band gap molto elevato (tipicamente $> 6$ eV). * **Semiconduttore non drogato (intrinseco):** Band gap piccolo (es. $\sim 1.1$ eV per il silicio, $\sim 0.7$ eV per il germanio). La conducibilità aumenta con la temperatura poiché gli elettroni possono essere eccitati termicamente nella banda di conduzione. * **Drogaggio:** L'aggiunta controllata di impurità in un semiconduttore intrinseco ne modifica drasticamente la conducibilità. * **Semiconduttori di tipo n:** Drogaggio con elementi con più elettroni di valenza (es. fosforo in silicio). Si formano livelli energetici donatori vicini alla banda di conduzione, aumentando la concentrazione di elettroni liberi. * **Semiconduttori di tipo p:** Drogaggio con elementi con meno elettroni di valenza (es. boro in silicio). Si formano livelli energetici accettori vicini alla banda di valenza, aumentando la concentrazione di lacune (assenza di elettroni). * **Conducibilità termica:** * Nei metalli, la conducibilità diminuisce con l'aumento della temperatura (maggiore agitazione termica ostacola il movimento degli elettroni). * Nei semiconduttori, la conducibilità aumenta con la temperatura (più elettroni eccitati termicamente superano il band gap). * Negli isolanti, la conducibilità (se misurabile) aumenta con la temperatura. #### 4.2.2 Dispositivi a semiconduttore * **Diodo:** Un componente con due terminali che permette il flusso di corrente in una direzione (polarizzazione diretta) e lo blocca nell'altra (polarizzazione inversa). Fondamentale è la giunzione p-n, che si forma dall'unione di un semiconduttore di tipo p e uno di tipo n. * **Transistor:** Componente a tre terminali che funge da interruttore o amplificatore di segnale. Modulando la tensione su un terminale (gate), si controlla il flusso di corrente tra gli altri due (source e drain). Sono la base dei circuiti integrati. * **Circuito integrato (Microchip):** Un singolo pezzo di materiale semiconduttore (tipicamente silicio) contenente una complessa rete di transistor, diodi e altri componenti interconnessi, in grado di processare ed elaborare dati. * **Foto-rivelatori:** Dispositivi che rilevano radiazioni elettromagnetiche (come la luce) convertendole in un segnale elettrico proporzionale all'intensità della radiazione. * **Laser:** (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). I laser a semiconduttore sono diodi laser in cui una giunzione p-n viene attraversata da corrente, emettendo un fascio di luce coerente, monocromatico e collimato. Utilizzati in lettori di codici a barre, puntatori laser, e trasmissione dati su fibra ottica. * **Sensori:** Semiconduttori drogati vengono impiegati per rilevare varie sostanze chimiche (metano, CO, alcoli, solventi, CO$_2$, ammoniaca) o monitorare la qualità dell'aria. * **Termometri:** Semiconduttori ceramici o cristalli singoli di germanio drogato sono utilizzati per misurazioni di temperatura a basse temperature (< 30 K). #### 4.2.3 Celle fotovoltaiche (Solari) Le celle solari convertono l'energia della luce solare in energia elettrica. L'efficienza ($\eta$) è definita come il rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza solare incidente. * **Prima generazione:** Basate su giunzioni p-n di silicio puro. Sono le più comuni e convenienti, ma presentano sfide nello smaltimento e nella flessibilità. * **Seconda generazione:** Utilizzano semiconduttori alternativi al silicio (es. arseniuro di gallio, composti III-V) o tecnologie a film sottile. Mirano a migliorare efficienza e costi, ma spesso sono meno convenienti del silicio. * **Terza generazione:** Implementano meccanismi di funzionamento più complessi, spesso con componenti multipli e architetture avanzate. * **Celle di Grätzel (DSSC):** Utilizzano un colorante fotosensibilizzatore (dye) legato a un semiconduttore poroso (es. TiO$_2$) per assorbire la luce. Un elettrolita redox media il trasporto degli elettroni tra il foto-anodo e il catodo. Richiedono un meticoloso bilanciamento dei livelli energetici (LUMO, HOMO, $E^0$) per un funzionamento ottimale. * **Celle solari organiche (OPV) / Bulk Heterojunction:** Utilizzano un mix di polimeri organici (donatori di elettroni) e molecole accettrici (es. fullereni o derivati come il PCBM). Il polimero assorbe la luce, e l'elettrone viene trasferito al fullerene, generando corrente. Queste celle possono essere realizzate su substrati flessibili (plastica), sono leggere e spesso trasparenti o colorate. * **Parametri di valutazione dell'efficienza:** * **Potenziale a circuito aperto ($V_{oc}$):** Massimo potenziale ottenibile quando non scorre corrente. * **Densità di corrente di corto circuito ($J_{sc}$):** Massima corrente ottenibile a potenziale nullo. * **Fill Factor (FF):** Rappresenta la "quadratura" della curva I-V; è il rapporto tra la potenza massima reale e il prodotto $V_{oc} \times J_{sc}$. * **IPCE (Incident Photon-to-Current Efficiency):** Efficienza della generazione di corrente a una specifica lunghezza d'onda. L'efficienza complessiva della cella è determinata da questi parametri: $\eta = \frac{V_{oc} \times J_{sc} \times FF}{P_{in}}$. #### 4.2.4 Superconduttori I superconduttori sono materiali che, al di sotto di una temperatura critica ($T_c$), presentano resistenza elettrica nulla e sono in grado di espellere campi magnetici (effetto Meissner). * **Scoperta:** Scoperti da Heike Kamerlingh Onnes nel 1911 nel mercurio. * **Proprietà:** * Resistenza elettrica nulla: la corrente indotta persiste indefinitamente. * Effetto Meissner: espulsione dei campi magnetici interni (nei superconduttori di tipo I) o permettono un'entrata parziale e ordinata del campo magnetico (nei superconduttori di tipo II). * **Tipi di Superconduttori:** * **Tipo I:** Metalli semplici e alcune leghe, con $T_c$ molto basse e completa espulsione del campo magnetico. * **Tipo II:** Metalli con bassa conducibilità e materiali ceramici (superconduttori ad alta $T_c$), con $T_c$ più elevate e un comportamento intermedio nel response al campo magnetico (penetrazione in vortici di flusso). * **Teoria BCS:** Spiega la superconduttività nei materiali di tipo I tramite la formazione di "coppie di Cooper" di elettroni, mediate dalle interazioni con i fononi (vibrazioni del reticolo cristallino). * **Materiali:** I migliori conduttori (rame, argento) sono pessimi superconduttori. I migliori superconduttori hanno spesso bassa conducibilità intrinseca (es. piombo, niobio). Materiali ceramici (ossidi di metalli, es. YBa$_2$Cu$_3$O$_7$) mostrano $T_c$ più elevate, rendendo il raffreddamento con azoto liquido (77 K) fattibile. * **Applicazioni:** Generazione di campi magnetici elevati (magneti superconduttori per RMN, acceleratori di particelle), treni a levitazione magnetica, cavi superconduttori. #### 4.2.5 Cristalli molecolari e solidi covalenti * **Cristalli molecolari:** Costituiti da molecole legate da deboli forze intermolecolari (Van der Waals). Hanno basse temperature di fusione/ebollizione, sono buoni isolanti elettrici e facilmente deformabili. Esempi includono ghiaccio (legami a idrogeno) e molte molecole organiche. * **Solidi covalenti (o estesi):** Atomi legati covalentemente in un reticolo tridimensionale continuo. Sono estremamente duri, hanno altissimi punti di fusione/ebollizione e sono insolubili in acqua. Esempi includono il diamante e il carburo di silicio (SiC). * **Diamante:** Ibridazione sp$^3$, struttura tetraedrica, isolante elettrico, ottimo conduttore termico, materiale più duro conosciuto. * **Grafite:** Ibridazione sp$^2$, impacchettamento a strati planari tenuti da forze di Van der Waals. Conduttore di elettricità e calore nel piano degli strati, ma scarsamente tra piani. Allotropo termodinamicamente più stabile del carbonio. #### 4.2.6 Difetti nei cristalli I difetti cristallini influenzano le proprietà dei materiali. * **Difetti stechiometrici:** Non alterano la composizione chimica (es. spostamento di un ione in una posizione interstiziale - difetto di Frenkel). * **Difetti non stechiometrici:** Alterano la composizione chimica (es. sostituzione di un atomo con un altro elemento). * **Difetti puntuali:** Coinvolgono uno o pochi atomi/ioni (es. vacanze di Schottky, difetti interstiziali). * **Difetti di linea e di superficie:** Coinvolgono dislocazioni e superfici del cristallo. * **Centri di colore:** Vacanze anioniche o cationiche che intrappolano elettroni, conferendo colore al materiale. Le zeoliti sono materiali microporosi con canali che permettono applicazioni come agenti essiccanti, catalizzatori e setacci molecolari. Il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si$_3$N$_4$) sono ceramici avanzati noti per la loro durezza e resistenza alle alte temperature. --- ## Errori comuni da evitare - Rivedete tutti gli argomenti accuratamente prima degli esami - Prestate attenzione alle formule e definizioni chiave - Praticate con gli esempi forniti in ogni sezione - Non memorizzate senza comprendere i concetti sottostanti

| Termine | Definizione | |---|---| | Tavola periodica | Struttura che organizza gli elementi chimici in base al loro numero atomico, configurazione elettronica e proprietà chimiche ricorrenti. Permette di prevedere le caratteristiche degli elementi. | | Triadi di Döbereiner | Gruppi di tre elementi chimici con proprietà chimiche simili, osservati da Döbereiner come un primo tentativo di classificazione periodica. | | Legge delle ottave di Newlands | Principio che osservava una periodicità delle proprietà chimiche ogni otto elementi quando disposti in ordine di peso atomico crescente (escludendo i gas nobili, allora sconosciuti). | | Numero atomico | Il numero di protoni nel nucleo di un atomo, che determina l'identità chimica di un elemento. | | Numero di massa | La somma del numero di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo. | | Gruppi (della tavola periodica) | Colonne verticali della tavola periodica, contenenti elementi con configurazioni elettroniche esterne simili e quindi proprietà chimiche analoghe. | | Periodi (della tavola periodica) | Righe orizzontali della tavola periodica, in cui gli elementi mostrano una variazione progressiva delle proprietà chimiche man mano che il numero atomico aumenta. | | Configurazione elettronica esterna | La disposizione degli elettroni negli orbitali più esterni di un atomo, che determina la sua reattività chimica. | | Potenziale di ionizzazione | L'energia minima richiesta per rimuovere un elettrone da un atomo o uno ione allo stato gassoso. | | Affinità elettronica | L'energia rilasciata o assorbita quando un elettrone viene aggiunto a un atomo neutro allo stato gassoso per formare uno ione negativo. | | Dimensioni atomiche e ioniche | Il raggio di un atomo o uno ione, che influenza le interazioni tra particelle e la reattività chimica. | | Elettronegatività | La misura della tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame in una molecola. | | Carica nucleare efficace ($Z_{eff}$) | La carica positiva netta che un elettrone in un atomo polielettronico sperimenta, tenendo conto dello schermo (o effetto di schermatura) causato dagli altri elettroni. | | Regole di Slater | Un insieme di regole empiriche utilizzate per stimare la carica nucleare efficace ($Z_{eff}$) che un elettrone di valenza sperimenta in un atomo polielettronico. | | Orbitali atomici (s, p, d, f) | Regioni dello spazio intorno al nucleo atomico dove è probabile trovare un elettrone, caratterizzate da forme e energie specifiche. | | Stato fondamentale | Lo stato di energia più basso di un atomo, molecola o sistema quantistico. | | Stato eccitato | Uno stato di energia superiore rispetto allo stato fondamentale di un atomo, molecola o sistema quantistico. | | Stato solido | Uno dei quattro stati fondamentali della materia, caratterizzato da volume e forma propri, con particelle strettamente legate e moti vibrazionali. | | Solidi cristallini | Solidi la cui struttura atomica o molecolare è ordinata in modo regolare e periodico su lunghe distanze, formando un reticolo cristallino. Hanno un punto di fusione netto. | | Solidi amorfi | Solidi che mancano di un ordine strutturale a lungo raggio, con atomi o molecole disposti in modo disordinato. Non hanno un punto di fusione definito, ma una transizione vetrosa. | | Punto di fusione | La temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido. | | Anisotropia | Proprietà di un materiale che varia a seconda della direzione in cui viene misurata (comune nei solidi cristallini). | | Isotropia | Proprietà di un materiale che è la stessa in tutte le direzioni (comune nei solidi amorfi). | | Metalli (come solidi) | Solidi caratterizzati da una struttura reticolare di ioni positivi immersi in un mare di elettroni delocalizzati, che conferiscono alta conducibilità elettrica e termica, malleabilità e lucentezza. | | Solidi ionici | Solidi composti da cationi e anioni tenuti insieme da forti forze elettrostatiche (legame ionico). Sono tipicamente duri, fragili e con alti punti di fusione. | | Solidi covalenti (estesi) | Solidi in cui gli atomi sono legati tra loro da legami covalenti che si estendono in tutto il reticolo, formando strutture dure e resistenti con alti punti di fusione. | | Solidi molecolari | Solidi costituiti da molecole discrete tenute insieme da forze intermolecolari deboli (come forze di Van der Waals o legami idrogeno). Hanno bassi punti di fusione. | | Reticolo spaziale | Una disposizione tridimensionale ordinata di punti (nodi) che rappresenta la struttura di un cristallo. | | Cella elementare | La più piccola unità ripetitiva di un reticolo cristallino che, per traslazione, genera l'intero reticolo. | | Vettori reticolari | Vettori che definiscono le dimensioni e gli angoli della cella elementare. | | Reticoli di Bravais | I 14 tipi unici di reticoli tridimensionali possibili che descrivono la geometria di tutte le possibili strutture cristalline. | | Numero di coordinazione | Il numero di atomi o ioni vicini a un atomo o ione centrale in un reticolo cristallino. | | Strutture compatte | Modelli di impaccamento di sfere (atomi, ioni o molecole) in cui le particelle sono disposte il più vicino possibile per minimizzare lo spazio vuoto. Esempi sono l'impaccamento esagonale compatto (HCP) e cubico compatto (FCC). | | Cavità tetraedriche | Uno spazio vuoto tra quattro sfere impacchettate in una disposizione tetraedrica. | | Cavità ottaedriche | Uno spazio vuoto tra sei sfere impacchettate in una disposizione ottaedrica. | | Struttura cubica a corpo centrato (BCC) | Una cella elementare cubica con un atomo o ione al centro e uno in ogni vertice. Numero di coordinazione 8. | | Struttura cubica a facce centrate (FCC) | Una cella elementare cubica con un atomo o ione al centro di ogni faccia e uno in ogni vertice. Numero di coordinazione 12. | | Struttura esagonale compatta (HCP) | Una struttura cristallina caratterizzata da uno strato esagonale di atomi/ioni, con il secondo strato posizionato negli spazi vuoti del primo, e così via, con un numero di coordinazione 12. | | Cristalli ionici | Materiali costituiti da ioni tenuti insieme da forze elettrostatiche. La loro struttura è determinata dal rapporto dei raggi catione/anione e dalla tendenza a massimizzare il numero di coordinazione. | | Stechiometria | Il rapporto numerico tra gli atomi o gli ioni nelle diverse componenti di un composto chimico. | | Struttura salgemma (NaCl) | Una comune struttura cristallina per composti ionici AX, dove gli anioni formano un reticolo FCC e i cationi occupano i siti ottaedrici. Numero di coordinazione 6:6. | | Struttura a cloruro di cesio (CsCl) | Una struttura cristallina per composti ionici AX con rapporto di raggio più grande, formata da due reticoli cubici semplici interpenetrati. Numero di coordinazione 8:8. | | Struttura sfalerite (ZnS) | Una struttura cristallina per composti ionici AX, dove gli anioni formano un reticolo FCC e i cationi occupano metà dei siti tetraedrici. Numero di coordinazione 4:4. | | Struttura wurtzite (ZnS) | Un polimorfo della sfalerite, dove gli anioni formano un reticolo esagonale compatto e i cationi occupano metà dei siti tetraedrici. Numero di coordinazione 4:4. | | Struttura fluorite (CaF2) | Una struttura cristallina per composti AX2, dove i cationi formano un reticolo FCC e gli anioni occupano tutti i siti tetraedrici. Numero di coordinazione 8:4. | | Struttura antifluorite (K2O) | L'inverso della struttura fluorite, dove gli anioni formano un reticolo FCC e i cationi occupano i siti tetraedrici. Numero di coordinazione 4:8. | | Struttura rutilo (TiO2) | Una struttura cristallina per composti AX2, dove gli anioni formano un reticolo esagonale compatto e i cationi occupano siti ottaedrici. Numero di coordinazione 6:3. | | Ciclo di Born-Haber | Un diagramma energetico che descrive il processo di formazione di un composto ionico da elementi nella loro forma standard, sommando le entalpie dei vari passaggi (sublimazione, ionizzazione, dissociazione, affinità elettronica, energia reticolare). | | Energia reticolare | L'energia totale liberata o richiesta per formare un reticolo cristallino da ioni gassosi separati. | | Legame metallico | Un tipo di legame chimico che coinvolge la delocalizzazione di elettroni tra un reticolo di ioni metallici positivi, conferendo proprietà tipiche dei metalli. | | Banda di valenza | La banda di energia più alta che contiene elettroni in un solido in condizioni di temperatura ambiente. | | Banda di conduzione | La banda di energia immediatamente superiore alla banda di valenza, che contiene elettroni liberi di muoversi e condurre elettricità. | | Band gap (intervallo di banda) | L'intervallo di energia proibita tra la banda di valenza e la banda di conduzione in un solido. | | Metalli (come conduttori) | Materiali in cui la banda di valenza e la banda di conduzione si sovrappongono o la banda di valenza è parzialmente riempita, consentendo una facile conduzione elettrica. | | Isolanti | Materiali con un ampio band gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione, che impedisce il movimento degli elettroni e quindi la conduzione elettrica. | | Semiconduttori | Materiali con un band gap intermedio tra metalli e isolanti, la cui conducibilità elettrica può essere aumentata da fattori come temperatura o drogaggio. | | Semiconduttore drogato | Un semiconduttore intrinseco a cui sono state aggiunte impurità controllate per modificarne la conducibilità elettrica (tipo n o tipo p). | | Semiconduttore di tipo n | Un semiconduttore drogato con un elemento donatore di elettroni, che aumenta la concentrazione di elettroni liberi. | | Semiconduttore di tipo p | Un semiconduttore drogato con un elemento accettore di elettroni, che aumenta la concentrazione di lacune (assenza di elettroni). | | Giunzione p-n | L'interfaccia tra un semiconduttore di tipo p e uno di tipo n, fondamentale per il funzionamento di molti dispositivi elettronici. | | Diodo | Un dispositivo a semiconduttore che consente il passaggio di corrente in una sola direzione. | | Transistor | Un dispositivo a semiconduttore che può amplificare o commutare segnali elettronici. | | Circuito integrato (microchip) | Un insieme di circuiti elettronici miniaturizzati su un unico chip semiconduttore. | | Celle fotovoltaiche | Dispositivi che convertono l'energia solare in energia elettrica attraverso l'effetto fotovoltaico. | | Superconduttori | Materiali che presentano resistenza elettrica nulla al di sotto di una certa temperatura critica, e che espellono i campi magnetici. | | Temperatura critica di superconduzione ($T_c$) | La temperatura al di sotto della quale un materiale diventa superconduttore. | | Esperimento della levitazione magnetica | Dimostrazione della repulsione tra un superconduttore e un magnete, dovuta all'espulsione del campo magnetico dal superconduttore (effetto Meissner). | | Teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) | La teoria fondamentale che spiega la superconduttività nei materiali di tipo 1, basata sulla formazione di coppie di elettroni (coppie di Cooper) mediate da fononi. | | Coppia di Cooper | Due elettroni legati da un'interazione attrattiva mediata dalle vibrazioni del reticolo cristallino (fononi). | | Fononi | Quanti di vibrazioni reticolari in un solido. | | Cristalli molecolari | Solidi costituiti da molecole discrete tenute insieme da forze intermolecolari deboli (Van der Waals, legami idrogeno). Hanno bassi punti di fusione e sono spesso isolanti. | | Cristalli covalenti | Solidi in cui gli atomi sono legati covalentemente in una rete tridimensionale continua. Sono estremamente duri e hanno alti punti di fusione. | | Allotropi del carbonio | Diverse forme strutturali in cui può esistere l'elemento carbonio, come diamante, grafite, fullereni e nanotubi di carbonio. | | Diamante | Un allotropo del carbonio con una struttura cristallina tetraedrica, estremamente dura e isolante elettricamente ma ottimo conduttore termico. | | Grafite | Un allotropo del carbonio con una struttura a strati planari di anelli esagonali, con legami deboli tra gli strati, che conferisce conducibilità elettrica e proprietà lubrificanti. | | Fullereni | Molecole di carbonio chiuse, con forme sferiche, ellissoidali o tubolari (nanotubi), composte da atomi di carbonio legati in esagoni e pentagoni. Il C60 è il fullerene più noto. | | Nanotubi di carbonio | Strutture cilindriche formate da fogli di grafene arrotolati, con proprietà meccaniche ed elettriche eccezionali. | | Fibre di carbonio | Filamenti sottili di carbonio con elevata resistenza meccanica, utilizzati per rinforzare materiali compositi. | | Celle di Graetzel (DSSC) | Celle solari sensibilizzate da coloranti, che utilizzano un fotoanodo a base di ossido semiconduttore poroso (es. TiO2) ricoperto da un cromoforo. | | Cromoforo (colorante) | Una molecola che assorbe la luce visibile e viene utilizzata nelle celle solari di Graetzel per generare elettroni eccitati. | | Mediatore redox | Una specie chimica che facilita il trasferimento di elettroni tra il catodo e il cromoforo nelle celle di Graetzel. | | Efficienza di una cella solare | Il rapporto tra la potenza elettrica prodotta dalla cella solare e la potenza della radiazione solare incidente. | | Potenziale a circuito aperto (Voc) | Il massimo potenziale elettrico generato da una cella solare quando non scorre alcuna corrente. | | Densità di corrente di cortocircuito (Jsc) | La massima corrente generata da una cella solare in condizioni di cortocircuito (potenziale zero). | | Fill Factor (FF) | Un parametro che descrive la "quadratezza" della curva I-V di una cella solare, indicando l'efficienza con cui la potenza massima può essere estratta. | | Ottica lineare | Lo studio dell'interazione della luce con la materia quando l'intensità luminosa è sufficientemente bassa da non indurre effetti non lineari. | | Non centrosimmetrico | Una proprietà strutturale di una molecola o di un cristallo in cui non esiste un centro di inversione, fondamentale per l'ottica non lineare. | | Push-pull (molecola) | Una molecola che presenta un gruppo elettron-donatore e un gruppo elettron-accettore separati da un sistema pi-coniugato, importante per l'ottica non lineare. |