ECTS - University of Pisa
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Disordered and off-Equilibrium Systems
SIMONE CAPACCIOLI
Academic year2022/23
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code315BB
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
DISORDERED AND OFF-EQUILIBRIUM SYSTEMSFIS/03LEZIONI48
SIMONE CAPACCIOLI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il Corso è diviso in tre parti in cui si intende fornire conoscenze di base in:

  • Descrizione ed interpretazione del disordine in liquidi, colloidi, vetri e polimeri.
  • Dinamica e termodinamica degli stati di fuori equilibrio nella materia passiva e attiva.
  • Tecniche sperimentali di uso corrente nello studio di struttura e dinamica di sistemi disordinati.
Knowledge

The Course will provide basic knowledge concerning:

  • Description and interpretation of disorder in liquids, colloids, glasses and polymers.
  • Dynamics and thermodynamics of the off-equilibrium states in passive and active matter.
  • Experimental techniques of current use in studies addressing the structure and the dynamics of  disordered systems.
Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze saranno verificate tramite prova orale.
Assessment criteria of knowledge

The knowledge will be assessed by final oral exam.

 
Capacità

Alla fine del Corso lo studente avra' acquisito capacita' di comprensione e di analisi di studi sperimentali, teorici e computazionali  nel campo della fisica dei sistemi disordinati e fuori equilibrio. 

Skills

At the end of the Course, the student will be able to understand and analyse scientific reports concerning experimental, theoretical and computational studies concerning the physics of disordered and off-equilibrium systems.
Modalità di verifica delle capacità

Le lezioni sono svolte in modo quanto piu' interattivo possibile per verificare che gli studenti acquisiscano le capacita` tecniche e di logica necessarie alla comprensione dei principali aspetti della fisica dei sistemi disordinati e fuori-equilibrio.
Assessment criteria of skills

Interactive lectures will be given to verify that the students are acquiring the technical and logic skills  to understand the basic aspects of the physics of the disordered and off-equilibrium systems.
Comportamenti

Sara` acquisita capacita` di analisi e di schematizzazione dei principali aspetti della fisica dei sistemi disordinati e fuori-equilibrio.
Behaviors

The student will be able to analyse scientific studies concerning the basic aspects of the physics of the disordered and off-equilibrium systems.
Modalità di verifica dei comportamenti

Lezioni interattive e prova orale finale.
Assessment criteria of behaviors

Interactive lectures and final oral examination.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze di base in Fisica della Materia e Fisica Statistica.
Prerequisites

Basic knowledge in Condensed-Matter Physics and Statistical Physics.
Indicazioni metodologiche

Lezioni frontali,  ricevimenti, utilizzo di e-mail e del sito e-learning per comunicazioni e materiale didattico addizionale.
Teaching methods

Face to face lectures; possibility to discuss personally with the professor once per week; use of e-mail and e-learning site for communication and distribution of additional materials.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
  1. Dall’ordine al disordine
  • Ordine posizionale a lungo raggio non-periodico: quasi cristalli
  • Disordine in sistemi atomici con ordine posizionale a lungo raggio (disordine cellulare)
    • Disordine sostituzionale: impurezze interstiziali e sostituzionali, vacanze
    • Disordine orientazionale: cristalli plastici (e.g. fullerene)
  • Disordine in sistemi atomici senza ordine posizionale a lungo raggio (disordine topologico)
    • Elementi di base nei cristalli reali:
      • Dislocazioni e vettori di Burger,
      • Difetti interfacciali.
    • Stato liquido e solido amorfo
      • Funzioni di distribuzione a n-corpi, caso particolare di distribuzione a coppia, fattore di struttura statico
      • Liquidi atomici di sfere dure: cenni alla teoria di Percus-Yevick
  • Disordine in sistemi polimerici
    • Conformazioni della catena polimerica lineare: analogia con il Random walk
    • Rigidita’ della catena: segmento di Kuhn
    • Distribuzione delle dimensioni della catena polimerica lineare
    • Energia libera della catena polimerica, elasticita’ entropica
    • Funzione di distribuzione a coppia della catena polimerica: autosimilarita’

 

  1. Dall’equilibrio al fuori equilibrio
  • Stati metastabili sottoraffreddati e transizione vetrosa nei liquidi
    • Funzione di Van Hove e suoi momenti
    • Dinamica microscopica e collettiva: effetto gabbia e proprieta’ vibrazionali, rilassamento strutturale e locale, distribuzione di tempi di rilassamento, diffusione, viscoelasticita’
    • Modelli elementari della transizione vetrosa:
      • Volume libero
      • Entropia configurazionale
  • Cenni sulla termodinamica di non-equilibrio
    • Principio zero: temperatura fittizia dei vetri, rottura del teorema di fluttuazione-dissipazione
    • Secondo principio: uguaglianza di Jarzynski e teorema di fluttuazione di Crooks e loro test sperimentali in nanosistemi
  • Dinamica della catena polimerica
    • Catena corta: modello di Rouse
    • Catena lunga: effetto degli aggrovigliamenti
      • Modello a tubo di Edwards
      • Moto di reptazione di De Gennes: argomenti di scala
  • Cenni sugli stati di non-equilibrio nella materia attiva
    • Motori molecolari
    • Batteri, nuotatori, sciami: moti collettivi emergenti e transizione vetrosa
  1. Tecniche sperimentali: struttura e dinamica di sistemi disordinati
  • Scattering da sistemi disordinati: generalità
    • Sezioni d’urto di scattering, scattering coerente ed incoerente
    • Fattore di struttura statico e dinamico, scattering elastico e anelastico
    • Funzioni di correlazione spaziale, temporale e spazio-temporale

 

  • Scattering di fotoni (raggi X e luce)
    • Sorgenti di radiazione coerente (sincrotrone), spettrometri e rivelatori
    • Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di raggi X a largo e piccolo angolo
    • Dinamica in sistemi disordinati: scattering Brillouin e Raman, scattering anelastico di raggi X, spettroscopia di fotocorrelazione
  • Scattering di neutroni
    • Sorgenti di neutroni, e rivelatori: tipici layout sperimentali.
    • Struttura in sistemi disordinati: diffrazione di neutroni a largo e piccolo angolo, confronto con i raggi X.
    • Scattering anelastico di neutroni e spettroscopia: TAS, TOF, Backscattering, Spin-Echo
Syllabus

1. From order to disorder

  • Non-periodical Long range positional order: quasi-crystals
  • Disorder in long range positional atomic systems (cellular disorder)
    • Substitutional disorder: interstitial and substitutional impurities, vacancies
    • Orientational disorder: plastic crystals (e.g. fullerene)
  • Disorder in atomic systems without long range positional order (topological disorder)
    • Base elements in real crystals:
      • Dislocations and Burger’s vector,
      • Interfacial defects.
    • Liquid state and amorphous state
      • N-bodies distribution functions, particular case: pair distribution; static structure factor
      • Hard sphere atomic liquids: Percus-Yevick theory
  • Disorder in polymeric systems
    • Conformations of polymeric linear chain: analogy with random walk
    • Chain rigidity: Kuhn’s segment
    • Size distribution of linear polymeric chain
    • Free energy of polymeric chain, entropic elasticity
    • Pair distribution function of polymeric chain: selfsimilarity

2. From equilibrium to out of equilibrium

  • Supercoled metastable states and glass transition in liquids
    • Van Hove function and its momenta
    • COllective and microscopic dynamics: cage effect and vibrational properties, local and structural relaxation, relaxation time distribution, diffusion, visco-elasticity
    • Simple models of glass transition:
      • Free volume
      • Configurationa entropy
  • Elements of non-equilibrium thermodynamics
    • Zero Principle: fictive temperature in glasses, fluctuation-dissipation theorem violation
    • Second Principle: Jarzynski’s equality and Crooks fluctuation theorem:  experimental tests in nanosystems
  • Polymeric chain Dynamics
    • Short chain: Rouse model
    • Long chain: entanglement effect
      • Edwards tube model
      • De Gennes reptation motion: scale arguments
  • Non-equilibrium states in active matter
    • Molecular Motors
    • Bacteria, Swimmers, swarms: emergent collective motions and glass transition

3. Experimental techniques: structure and dynamics of disordered systems

  • Scattering from disordered systems: generalities
    • Scattering cross sections, coherent and incoherent scattering
    • Static and dynamic structure factor, elastic and anelastic scattering
    • Spatial, temporal and spatio-temporal correlation function
  • Photon Scattering (X-rays and light)
    • Sources of coherent radiation (synchrotron), spectrometers and detectors
    • Structure of disordered systems: X-ray diffraction at wide and small angle
    • Dynamics in disordered systems: Brillouin and Raman scattering, inelastic X-ray scattering, photocorrelation spectroscopy
  • Neutron scattering
    • Neutron sources and detectors: typical experimental layout.
    • Structure of disordered systems: neutron diffraction at wide and small angle, comparison with X-ray.
    • Anelastic neutron scattering and spectroscopy: TAS, TOF, Backscattering, Spin-Echo

 
Bibliografia e materiale didattico

Disordine:

K.Binder, W. Kob, Glassy materials and disordered solids (World Scientific, Singapore, 2005)

 

Fenomeni di non equilibrio:

P.G. Debenedetti, Metastable Liquids (Princeton University Press, Princeton, 1996),

M. Rubinstein, R.H. Colby, Polymer Physics (Oxford University Press, Oxford, 2003)

D.J.Evans, D.J.Searles, S.R.Williams. Fundamentals of Classical Statistical Thermodynamics: Dissipation, Relaxation and Fluctuation Theorems (Wiley-VCH, Weinheim, 2016)

 

Tecniche di scattering:

D.S. Sivia, Elementary Scattering Theory: For X-ray and Neutron Users (Oxford University Press, 2011

J. A. Nielsen and D. McMorrow, Elements of Modern X-ray Physics (John Wiley & Sons, 2011)

B.J. Berne and E. Pecora, Dynamic Light Scattering (Dover, New York, 2000).
Bibliography

Disorder:

K.Binder, W. Kob, Glassy materials and disordered solids (World Scientific, Singapore, 2005)

 

Non equilibrium phenomena:

P.G. Debenedetti, Metastable Liquids (Princeton University Press, Princeton, 1996),

M. Rubinstein, R.H. Colby, Polymer Physics (Oxford University Press, Oxford, 2003)

D.J.Evans, D.J.Searles, S.R.Williams. Fundamentals of Classical Statistical Thermodynamics: Dissipation, Relaxation and Fluctuation Theorems (Wiley-VCH, Weinheim, 2016)

 

Scattering Techniques:

D.S. Sivia, Elementary Scattering Theory: For X-ray and Neutron Users (Oxford University Press, 2011

J. A. Nielsen and D. McMorrow, Elements of Modern X-ray Physics (John Wiley & Sons, 2011)

B.J. Berne and E. Pecora, Dynamic Light Scattering (Dover, New York, 2000).
Indicazioni per non frequentanti

Nessuna
Non-attending students info

None
Modalità d'esame

Esame finale orale attraverso colloquio.
Assessment methods

Final oral exam with interactive discussion.
Updated: 30/08/2022 12:09