- Docente: Massimo Marcaccio
- Crediti formativi: 6
- SSD: CHIM/02
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
- Campus: Bologna
- Corso: Laurea Magistrale in Biotecnologie molecolari e industriali (cod. 9213)
Conoscenze e abilità da conseguire
Al termine del corso, lo studente conosce le basi chimiche e chimico-fisiche dei processi di trasferimento elettronico e di trasduzione del segnale chimico insieme alla loro applicazione per la comprensione e sviluppo di sistemi bioelettrochimici nell'ambito della biosensoristica e della bioproduzione energetica industriale. In particolare, lo studente i) è in grado di analizzare, valutare e misurare i parametri energetici e cinetici dei processi di trasferimento elettronico, ii) acquisisce le metodologie di funzionalizzazione di differenti tipi di superfici e la loro caratterizzazione, iii) conosce i principi di funzionamento di una varietà di dispositivi biosensoristici e per la produzione sostenibile di energia.
Contenuti
1) Trasferimento elettronico eterogeneo
- cinetica del trasferimento elettronico eterogeneo;
- curve di energia libera elettrochimica
- derivazione dell'equazione di Butler-Volmer per la cinetica elettrodica;
- curve di polarizzazione;
- influenza del trasporto di massa.
2) Studio del trasferimento elettronico di specie in soluzione e tecniche elettrochimiche
- variazione del potenziale mediante step di potenziale e legge di Cottrell: tecnica della cronoamperometria;
- variazione lineare di potenziale e tecniche voltammetriche
3) Fondamenti di teoria del trasferimento elettronico
- teoria microscopica del trasferimento elettronico
- energia di riorganizzazione interna ed esterna
- derivazione della legge cinetica di Marcus per il trasferimento elettronico (legge quadratica di Marcus)
- regione normale e inversa di Marcus
- Esempi di fenomeni razionalizabili con la teoria di Marcus
4) Modificazione superficiale di elettrodi con specie molecolari e sistemi biologicamente attivi
- ancoraggio di specie su elettrodi conduttori di oro mediante self-assembled monolayer (SAM);
- modificazione di elettrodi grafitici o materiali a base di C;
- modificazione di elettrodi semiconduttori di Si e a base di ossidi metallici;
- funzionalizzazione di superfici isolanti di ossidi
5) Studio di elettrodi modificati mediante tecniche elettrochimiche
- utilizzo di metodi voltammetrici: voltammetria di specie adsorbite
- metodi di spettroscopia di impedenza elettrochimica
6) Indagine di superfici modificate mediante tecniche di microscopia a scansione di sonda
- principi di microscopia a forza atomica (AFM);
- principi di microscopia a scansione di sonda elettrochimica (SECM)
7) Trasduzione del segnale chimico in dispositivi sensoristici
- categorie di sensori chimici e biochimici
- principi di funzionamento di sensori e biosensorsi amperometrici
- cenni di sensori ottici e principi della elettrochemiluminescenza
8) Conversione bioelettrochimica di energia
- principi di funzionamento di celle a combustibile (FC)
- principi di celle fotoelettrochimiche con colorante
Le unità didattiche di laboratorio prevedono esercitazioni riguardanti aspetti del trasferimento elettronico studiati teoricamente e in particolare:
- tecniche elettrochimiche voltammetriche e amperometriche
- funzionalizzazione di superfici elettrodiche
- elettrochemiluminescenza
- microscopia SECM
Testi/Bibliografia
Chemical Sensors and Biosensors, Florinel-Gabriel Bănică; Wiley 2012
Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition)
Metodi didattici
Durante le lezioni verranno discusse tematiche riguardanti i vari aspetti del trasferimento elettronico omogeneo ed eterogeneo e dello sviluppo di dispositivi sensoristici utilizzando prevalentemente concetti del trasferimento elettronico.
Gli argomenti svolti a lezione saranno completati da Esercitazioni di laboratorio.
Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento
La verifica dell'apprendimento del corso consisterà in un esame orale della durata di circa 45 minuti. L'esame sarà articolato su 3 quesiti riguardanti argomenti svolti a lezione e nella discussione dei risultati ottenuti nelle esperienze di laboratorio.
Strumenti a supporto della didattica
Lavagna, videoproiettore per slide di lezione, PC
Orario di ricevimento
Consulta il sito web di Massimo Marcaccio