Materiali per l’OtticaA.A. 2014/2015

Maria Antonietta RicciDipartimento di Scienze, Università Roma Tre

Materiali per l’ottica: Corso di Laurea in Ottica e Optometria

Materiali per l’ottica

RecapitiOrario ricevimento: sempre, previo appuntamento

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Introduzione

Dal catalogo di una lente oftalmica…

Materiali per l’ottica

Qual’e’ l’impatto delle caratteristiche micro/macroscopiche dei materiali sulle prestazioni di una lente oftalmica?

• Proprietà e loro caratterizzazione• Fabbricazione

Un decalogo

LA LENTE OFTALMICA IDEALE

1. Elevato indice di rifrazione (lenti meno curve)2. Basso peso specifico (lenti leggere)3. Alta costringenza (miglior immagine, numero di Abbe)4. Resistenza alla flessione (infrangibili)5. Durezza (antigraffio)6. Possibilità di colorazione del materiale (lenti scure)7. Possibilità di trattamenti superficiali (antiriflesso)8. Inattaccabilità ai solventi (facile pulizia, lunga vita)9. Stabilità meccanica e lavorabilità (andranno pur montate…)10. Economicità (andranno pur vendute…)

Materiali per l’ottica

Per capirne un pò di più studieremo:….

Materiali per l’ottica

….la relazione tra struttura e proprieta’ di un materiale e i processi di fabbricazione….

1. Macroscopico 2. Microscopico3. Atomico4. Sub-atomico

Legami molecolari

• Ionico• Covalente• Van der Waals 0.1 eV• H idrogeno <0.5 eV

1/r

• IonicoNaCl Na L 3s1 Cl L 3s2 3p5 Tra atomi a simmetria circa sferica non direzionale

Forti 1-5 eV

Legami molecolari

• Ionico• Covalente• Van der Waals 0.1 eV• H idrogeno <0.5 eV

Forti 1-5 eV

• CovalenteH2 H 1s1 Legame direzionale

• Van der WaalsInterazione tra momenti di dipoloV~1/r 6

forza dipolo permanente-dipolo permanente (o forza di Keesom)

forza dipolo permanente-dipolo indotto (o forza di Debye)

forza dipolo indotto istantaneo-dipolo indotto (o forza di dispersione di London)

presentano anisotropia

Sono circa 100 volte piu’ deboli dei legami covalenti

• IdrogenoUn protone tra due atomi…

l legame idrogeno o ponte idrogeno è un caso particolare di interazione fra dipoli. In particolare si tratta di un legame dipolo permanente - dipolo permanente in cui è implicato un atomo di idrogeno coinvolto in un legame covalente con elementi molto elettronegativi (come fluoro, ossigeno, azoto), i quali attraggono a sé gli elettroni di valenza, acquisendo una parziale carica negativa (-) lasciando l'idrogeno con una parziale carica positiva (+).[1] Il legame a idrogeno si forma quando la parziale carica positiva dell'idrogeno viene in contatto con un doppietto elettronico di un elemento fortemente elettronegativo (fluoro, ossigeno o azoto), il quale lega l'H (che viene definito accettore, invece l'elemento dove è legato l'H viene definito donore).

Capitoli: 1

Livelli di energia molecolari

Transizioni tra livelli di energia degli elettroni corrispondono a energie nella banda UV e ottica (elettroni ottici) o nel range dei raggi X (elettroni di core). etano σ → σ*  a 135 nm (visibile, UV)

Livelli di energia molecolari

Transizioni tra livelli di energia vibrazionali nell’IR

Livelli di energia molecolari

Transizioni tra livelli di energia rotazionali nell’FIR e microonde

Bande di energia nei solidi

Stati elettronici nei solidi: bande elettroniche

Materiali per l’ottica

METALLI SEMICONDUTTORIISOLANTISEMIMETALLI

OCCUPAZIONE DEI LIVELLI A 0 K: CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI

Cu N elettroni in 4sLa banda 4s ne puo’ contenere 2N

Mg 2N elettroni in 3sLe bande 3s e 3p sono sovrapposte e 2N elettroni sono al disotto di Ef

Un’impurezza pentavalente, come l’antimonio, dona un elettrone libero  

Un’impurezza trivalente, come il crea una buca  

Stati elettronici nei solidi: stati di impurezza in isolanti e semiconduttori

Stati elettronici nei solidi: stati di impurezza in isolanti e semiconduttori

Materiali per l’ottica

22

2

0

2

02

0

n

RyEE n

n

Le impurezze nei cristalli inducono stati elettronici discreti all’interno della gap: in un modello tipo-idrogeno hanno energia

ncimpEEE

Rydberg= 13.59… eV

Interazione tra tipo idrogeno con potenziale coulombiano schermato dal mezzo .

r

perU

4

1)(

L’eq. Di Schroedinger ammette soluzione

Stati elettronici nei solidi: stati di impurezza in isolanti e semiconduttori

Materiali per l’ottica

Capitoli: 2, 18

nucleo

10-15

m

atomo

10-10

m

macromolecola

10-9 m

10-8

m

mitocondrio

cellula

10-7

m10-

6m

granello di sabbia

10-

4m

Al di sotto di 10-7 m dobbiamo cambiare la sonda e le lenti

Onde in un liquido

B

A

Vengono generate delle onde dasinistra verso destra:

1) Dall’ apertura posta sulla paretenascono delle onde di forma sferica (diffrazione)

2) Le onde sferiche generate dalleaperture A e B danno luogo a una serie di massimi e di minimi (interferenza)

• Principio di Huygens-Fresnel, le fenditure si comportano a loro volta come sorgenti di onde piane sferiche coerenti con la stessa fase iniziale.

• Ampiezze costanti (trascuriamo la variazione di ampiezza dovuta alla diverse distanze tra le fenditure e l’osservatore)

• Trascuriamo la larghezza delle fenditure

d sin = m con m = 1,2,3,...

2d sin = m con m = 1,2,3,...

identification and quantitative analysis of phases

Quarz+Mullite

Quarz

Mullitee.g. mineral phasesSiO2 quartzSiO2 cristobaliteSiO2 glass3Al2O3 2SiO2 mullite

e.g. metals, alloysCu-Sn, Ag-Cu, Sn-Pb

k

k’q E=E’

k=k’

D2O

H2O

HDO

In che differisce un vetro da un liquido?

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L’acqua

Ad una data pressione esiste una temperatura definita alla quale il sistema cambia fase (Temperatura di transizione). Durante la trasformazione il sistema scambia con l’ambiente un calore latente Hf

Richiamo: transizioni di fase