- Oggetto:
- Oggetto:
Uso del calcolatore nella scienza dei materiali
- Oggetto:
MATERIALS SCIENCE WITH COMPUTERS
- Oggetto:
Anno accademico 2023/2024
- Codice attività didattica
- MFN0675
- Docenti
- Bartolomeo Civalleri (Titolare)
Lorenzo Maschio (Titolare)
Marta Corno (Titolare) - Corso di studio
- Scienza dei Materiali [0205L31]
Scienza e Tecnologia dei Materiali [008716] - Anno
- 1° anno, 2° anno, 3° anno
- Periodo
- Secondo semestre
- Tipologia
- A scelta dello studente
- Crediti/Valenza
- 4
- SSD attività didattica
- CHIM/02 - chimica fisica
- Erogazione
- Tradizionale
- Lingua
- Italiano
- Frequenza
- Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
- Tipologia esame
- Prova pratica
- Tipologia unità didattica
- corso
- Prerequisiti
-
Fondamenti di Meccanica Quantistica, Principi di Fisica dello Stato Solido, Elementi di Cristallografia.
Fundamentals of quantum mechanics, basics of solid state physics and crystallography.
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire alla compagine studentesca un'introduzione agli strumenti di calcolo quanto-meccanico utilizzati nella moderna chimica computazionale molecolare e dello stato solido. L'obiettivo principale è mostrare l'utilità dei programmi di calcolo quanto-meccanici nello studio modellistico di materiali.
The course is intended to provide students with the basics of knowledge of ab initio quantum mechanical methods and how they can be used to model materials. The main objective is to show how modern computational tools can be effectively use to predict the properties of materials.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Conoscere che cosa si intende con approccio computazionale nella scienza dei materiali e come questo stia diventando uno strumento importante nella ricerca scientifica e un utile complemento all'attività sperimentale.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Acquisizione della capacità di applicare le conoscenze teoriche relative alla chimica computazinale alla base di un esperimento al calcolatore e le strategie per la definizione di un modello strutturale. Capacità di applicazione base di programmi di calcolo quanto-meccanici per lo studio di sistemi molecolari e cristallini.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Acquisizione di consapevole autonomia di giudizio con riferimento a valutazione e scelta di metodi teorici e modelli computazionali appropriati al sistema oggetto di studio.
ABILITÀ COMUNICATIVE
Acquisizione di competenze e strumenti per la comunicazione nella forma scritta e orale, in lingua italiana, unitamente all'utilizzo di immagini descrittive dei modelli trattati.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Acquisizione di capacità autonome di apprendimento e di autovalutazione della propria preparazione, atte ad intraprendere gli studi successivi con un alto grado di autonomia.
KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
To know what is meant by a computational approach in materials science and how this is becoming an important tool in scientific research and a useful complement to experimental work.
APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
Acquisition of the ability to apply the theoretical knowledge of computational chemistry to the basis of a computer experiment and strategies for the definition of a structural model. Ability to apply basic quantum-mechanical calculation programmes for the study of molecular and crystalline systems.
MAKING JUDGEMENTS
Acquisition of conscious autonomy of judgement with reference to the evaluation and choice of theoretical methods and computational models appropriate to the system under study.
COMMUNICATION SKILLS
Acquisition of skills and tools for communicating in written and oral form, in Italian, together with the use of descriptive images of the models treated.
LEARNING SKILLS
Acquisition of autonomous learning skills and self-assessment of one's own preparation, apt to undertake subsequent studies with a high degree of autonomy.
- Oggetto:
Programma
Lezioni:
- Approccio computazionale nella Scienza dei Materiali. Accenni alla simulazione multiscala. Definizione di scienza dei materiali computazionale. Tecniche per la definizione di un modello strutturale per la simulazione di materiali. Fasi della progettazione di un esperimento al calcolatore
- Concetto di superficie di energia potenziale e sua caratterizzazione: significato dei punti stazionari. Ottimizzazione di geometria. Calcolo delle frequenze vibrazionali.
- Approssimazione "classica" dell'equazione di Schrödinger. Metodi ab-initio: Hartree-Fock (HF) e Funzionale della Densità (DFT). Estensione ai sistemi periodici (1D-3D). Schema di programma ab-initio. Accenni ai metodi correlati di tipo post-HF
- Introduzione alla modellizzazione di superfici e adsorbimento. Discussione del modello a slab ed esempi
- Simulazione di nanostrutture: nanorod, nanoparticelle e nanotubi
Laboratorio
Modulo 1: Introduzione all'uso di CRYSTAL: preparazione dell'input e discussione dell'output Esempi di modelli strutturali nell'approccio periodico alla simulazione di materiali (cristalli, superfici, difetti, ...). Calcolo delle proprietà di bulk.
Modulo 2: Uso del modello a slab per la simulazione delle superfici. Esercizio su stabilità relativa delle superfici MgO(100) e MgO(110): identificazione dell'unità ripetitiva, energia di formazione delle superficie, calcolo delle mappe 3D del potenziale elettrostatico.
Modulo 3: Creazione di un modello strutturale per l'adsorbimento di piccole molecole (es. CO) sulle superfici costruite nel modulo precedente. Definizione e calcolo dell'energia di interazione.
Modulo 4: Creazione di modelli strutturali per nanostrutture (es. nanorod, nanoparticelle) e nanotubi. Calcolo di proprietà di interesse come struttura di bande, DOSs, ...
Analisi/discussione dei risultati e confronto con i dati sperimentali eventualmente disponibili.
Lectures:
- A computational approach to materials science. Multiscale modeling and definition of computational materials science. Definition of a structural model: approaches and strategies. How to design an experiment on a computer
- Definition of the Potential Energy Surface and its characterization: stationary points and chimica structures. On the meaning of geometry optimization of molecules and solids. Vibrational frequencies calculation.
- An introduction to the main quantum-mechanical methods used in the study of molecules and solids: (i) approximation of the Schrodinger equation; (ii) ab-initio methods for molecules (Hartree-Fock (HF) and Density Functional Theory (DFT)); (iii) extension to solids; (iv) Correlation energy and post-HF methods.
- Modelling surfaces and adsorption: the slab model, surface formation energy, surface stability, relaxation and reconstruction, adsorption energy
- Simulation of nanostructure: nano rods, nanoparticles and nanotubes
Practical work:Module 1: A brief introduction to the CRYSTAL code: how to prepare an input and to analyze and output file. Simple examples on the modeling of crystals, surfaces and defective systems. How to model a surface through the slab model: the relative stability of the (100) and (110) faces of MgO as a case study. Calculation of bulk properties
Module 2: A periodic model to simulate surfaces: the slab model. How to create a slab model from the 3D system. Practical work on the relative stability of the MgO(001) and (110) surfaces: identify the repeat unit, surface formation energy, 3D maps to plot the electrostatic potential.
Module 3: How to model adsorption of small molecule (e.g. CO) on the surfaces studied in the previous module. Definition and calculation of the adsorption energy.
Module 4: How to model nanostructure (e.g. nanorods, nanoparticles and nanotubes). Calculation of the band structure, DOSs, ...
Discussion of computed results and comparison with available experimental data, if any.- Oggetto:
Modalità di insegnamento
Tipologia insegnamento :
- Lezione e laboratorio
16 ore di lezione frontale e 32 ore di laboratorio
La frequentazione è obbligatoria per almeno il 70% delle esercitazioni
16 hours lectures, 32 hours hands-on sessions (lab).
The attendance to lectures is not obligatory but it is compulsory for at least 70% of the practical work.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
Si prevede la presentazione di una relazione da parte della compagine studentesca, in cui vengono descritte e commentate le esercitazioni svolte durante l'insegnamento. Nel colloquio orale, oltre alla discussione della relazione verranno fatte alcune domande a carattere generale sugli argomenti trattati a lezione.
The oral exam consists in a report work based on the hands-on sessions in the computer room and some questions on topics discussed in the lectures.
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
Slide delle lezioni e delle esercitazioni di laboratorio
Copy of the slides of the lectures and practical work will be provided by teachers
- Oggetto:
Orario lezioni
Lezioni: dal 02/03/2021 al 11/06/2021
Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"
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