CHIMICA

LAUREA MAGISTRALE

FOTONICA MOLECOLARE

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA FISICA (CHIM/02)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti apprenderanno 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. Consolideranno e metteranno a frutto le conoscenze di base acquisite negli anni precedenti relative alla spettroscopia molecolare e alla quanto-meccanica, per affrontare concetti più avanzati, con apertura sulle tecniche applicative più interessanti e attuali nel campo della chimica biomolecolare e dei materiali molecolari.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo/a studente/ssa avrà la capacità di investigare alcuni processi fondamentali della chimica biomolecolare e dei materiali, quali i trasferimenti di energia e di carica, oltre che progettare l’utilizzo di tecniche di microscopia ottica multifotonica. Sarà 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.

Autonomia di giudizio
Lo/a studente/ssa sarà in grado di valutare autonomamente le correlazioni struttura-proprietà utilizzando le più moderne tecniche di indagine spettroscopica e di microscopia ottica. Conoscerà i campi e limiti di utilizzo delle spettroscopie non-lineari, dei metodi basati sul trasferimento di energia d’eccitazione e della teoria di Marcus per i trasferimenti elettronici. Sarà in grado di programmare attività sperimentale nell’ambito della spettroscopia ottica, sapendone valutare e quantificare i risultati sperimentali; sarà in grado di adattarsi ad ambiti di lavoro e tematiche diverse, che coinvolgano le proprietà spettroscopiche/ottiche delle biomolecole e dei materiali.

Abilità comunicative
Lo/a studente/ssa sarà in grado di comunicare a livello approfondito relativamente a problematiche inerenti la spettroscopia ottica, lineare e non-lineare e la sua applicazione alle biomolecole e ai materiali.

Capacità di apprendimento
Lo/a studente/ssa, grazie ad un approccio critico ai problemi, sarà in grado di apprendere in modo autonomo, affrontando nuove tematiche scientifiche o problematiche professionali inerenti le proprietà spettroscopiche/ottiche delle biomolecole e dei materiali, anche in ambiti interdisciplinari.

Prerequisiti

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

Contenuti dell'insegnamento

Trasferimenti di energia; Anisotropia di fluorescenza; Trasferimenti elettronici; 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

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 (ANCHE MULTIFOTONICA)
- 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 (in aula e in diretta streaming) arricchite da esempi forniti attraverso proiezione di immagini e video.

Modalità verifica apprendimento

Le conoscenze e capacità di comprensione, la capacità di applicare conoscenze, l’autonomia di giudizio, e le capacità comunicative vengono verificate attraverso un esame orale. La prova si articola tipicamente in 2/3 domande, relative a 2/3 argomenti fondamentali del corso. La scala di valutazione si articola in: 18-23 = conoscenza di base delle tecniche e delle teorie su cui si basano; 24-27= capacità di discutere le tecniche (con vantaggi e limitazioni) e le implicazioni dell’approccio teorico alla base di esse; 28-30= dimostrazione di autonomia critica nella comprensione dell’approccio teorico alle proprietà spettroscopiche/ottiche, delle tecniche correlate e delle approssimazioni introdotte dell’interpretazione dei dati forniti. La prova ha durata di circa 45 minuti.

Altre informazioni

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