FOTONICA MOLECOLARE

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA FISICA (CHIM/02)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Conoscenze: il corso fornisce concetti avanzati in spettroscopia ottica e in fotonica e multifotonica molecolare, tra cui conoscenze fondamentali approfondite sulle teorie dei trasferimenti di energia e dei trasferimenti di carica, oltre ad un'introduzione a tecniche ed applicazioni avanzate in spettroscopia non-lineare e risolta nel tempo.

Capacità di comprensione: le conoscenze di base acquisite negli anni precedenti relative alla spettroscopia molecolare e alla quanto-meccanica vengono consolidate e messe a frutto per affrontare concetti più avanzati, con apertura sulle tecniche applicative più interessanti e attuali nel campo dei materiali molecolari e della chimica biomolecolare.

Applicazione delle conoscenze: il corso fornisce gli strumenti per investigare alcuni processi fondamentali della chimica biomolecolare e dei materiali, quali i trasferimenti di energia e di carica, oltre che la descrizione delle tecniche di microscopia ottica multifotonica. Lo studente alla fine del corso dovrebbe essere in grado di pianificare ed effettuare esperimenti spettroscopici avanzati e avere le basi necessarie per l'interpretazione dei risultati e per ricavare importanti informazioni sui sistemi di interesse.

Prerequisiti

Conoscenze di base in quanto-meccanica e in spettroscopia molecolare.

Contenuti dell'insegnamento

Trasferimenti di energia; Trasferimenti di carica; Anisotropia di fluorescenza; LASER; Ottica non-lineare; Microscopia ottica (anche multifotonica); Spettroscopia risolta nel tempo; Equazioni di Bloch ottiche e photon echo; Spettroscopia IR bidimensionale.

Programma esteso

RIPASSO DI ALCUNI CONCETTI DI BASE IN SPETTROSCOPIA OTTICA
- Spettri di assorbimento (fattori di Franck-Condon, momento di dipolo di transizione, forza d'oscillatore)
- Spettri di luminescenza (diagrammi di Jablonski, regola di Kasha, resa quantica di luminescenza, tempi di vita)

TRASFERIMENTI DI ENERGIA
- Meccanismi di Förster e di Dexter
- Applicazioni del FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer): Studio dell'associazione macromolecolare e della distanza intermolecolare; folding delle proteine; energy harvesting; sensing.

ANISOTROPIA DI FLUORESCENZA

TRASFERIMENTI ELETTRONICI
- Teoria classica dello stato di transizione
- Modello di Marcus (classico, semiclassico e quanto-meccanico) e applicazioni ai sistemi molecolari
- Teoria di Mulliken-Hush per il trasferimento di carica

I LASER

OTTICA NON-LINEARE
- Teoria della risposta non-lineare: iperpolarizzabilità ai vari ordini
- Processi parametrici e non parametrici
- Ruolo della simmetria
- Processi al secondo ordine: presentazione generale dei vari processi + trattazione estesa del processo di generazione di seconda armonica e sue applicazioni
- Processi al terzo ordine: presentazione generale dei vari processi + trattazione estesa dei processi di assorbimento di due fotoni (TPA) e di scattering Raman (e loro applicazioni)

MICROSCOPIA OTTICA
- Microscopia confocale
- Imaging ottico multifotonico
- Tecniche di microscopia ottica a super-risoluzione

SPETTROSCOPIA RISOLTA NEL TEMPO
- Metodo di Heller
- Fluorescence up-conversion
- Spettroscopia pump-probe

EQUAZIONI DI BLOCH OTTICHE E PHOTON ECHO

SPETTROSCOPIA IR BIDIMENSIONALE

Bibliografia

J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, Springer 2006.
V. May, O. Kuhn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley 2004.
R. W. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press 2008.
Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics, Wiley-Interscience 1984.
P. Hamm and M. Zanni, Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy, Cambridge University Press 2011.

Metodi didattici

Lezioni frontali arricchite da esempi forniti attraverso proiezione di immagini e video.

Modalità verifica apprendimento

Le conoscenze acquisite e la capacità di comprensione dei concetti trattati vengono verificate attraverso un esame orale.

Altre informazioni

Oltre ad una vasta bibliografia, agli studenti vengono fornite dispense dettagliate su tutti gli argomenti del corso.