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Uso del calcolatore nella scienza dei materiali

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MATERIALS SCIENCE WITH COMPUTERS

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Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN0675
Docenti
Dott. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Dott. Lorenzo Maschio (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Scienza e Tecnologia dei Materiali- Indirizzo Beni Culturali
Anno
3° anno
Periodo didattico
Secondo quadrimestre
Tipologia
A scelta dello studente
Crediti/Valenza
4
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia d'esame
Prova pratica
Prerequisiti
Fondamenti di Meccanica Quantistica, Principi di Fisica dello Stato Solido, Elementi di Cristallografia.

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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti 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.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

L’allievo dovrà essere in grado di

a) 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;

b) conoscere quali sono le fasi di un esperimento al calcolatore e le strategie per la definizione di un modello strutturale

c) apprendere l’utilizzo base di programmi di calcolo quanto-meccanici per lo studio di sistemi molecolari e cristallini

 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova pratica+domande. L’esame prevede una prova pratica in laboratorio (aula informatica) basata sulle esercitazioni svolte durante il corso più alcune domande (di solito tre) a carattere generale sugli argomenti trattati a lezione

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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.

 Metodi della meccanica molecolare (definizioni, campo di forza, esempio di campo di forza)

 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

 Simulazione di sistemi con difetti: modelli, strategie ed esempi

Introduzione alla modellizzazione di superfici e adsorbimento. Discussione del modello a slab ed esempi

 Laboratorio

Modulo 1: Introduzione all'uso del programma di calcolo Gaussian09: preparazione dell'input e discussione dell'output. Uso di strumenti di grafica molecolare per l'analisi dell'output. Definizione della geometria di una molecola attraverso la costruzione della matrice Z ed esercizi

 Modulo 2: Calcolo delle barriere rotazionali di molecole con la meccanica molecolare

 Modulo 3: Studio di un sistema prototipico: il dimero dell’acqua. Definizione del problema, ottimizzazione della geometria e calcolo delle frequenze vibrazionali. Visualizzazione e analisi dei dati calcolati con discussione sul cambiamento delle caratteristiche strutturali e vibrazionali della molecola d’acqua isolata e nel dimero. Confronto tra metodi di calcolo ab-initio

 Modulo 4: Uso dell’approccio a cluster nella simulazione di materiali. Simulazione degli ossidrili superficiali di materiali silicei. Definizione del problema e creazione di un semplice modello strutturale con l’ausilio di un programma di grafica molecolare (Moldraw). Calcolo delle proprietà strutturali e vibrazionali del modello isolato e in interazione con ammoniaca. Dal modello a cluster minimale ai cluster a goccia. Analisi/discussione dei risultati e confronto con i dati sperimentali.

 Modulo 5: 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, ...). Uso del modello a slab per la simulazione delle superfici. Esempio: Stabilità relativa delle superfici MgO(100) e MgO(110)

 Modulo 6: Uso dell’approccio periodico nella simulazione degli ossidrili superficiali di materiali silicei: l'edintonite come modello strutturale. Creazione di un modello a “slab” a partire dalla struttura massiva.  Calcolo delle proprietà strutturali e vibrazionali del modello a slab isolato e in interazione con ammoniaca Analisi/discussione dei risultati e confronto con i dati sperimentali.

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.

 Basics of Molecular Mechanics: definition of a Force-Field, classification of FFs, examples of FFs for molecules and solids, applications

 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.

 How to model defective systems: strategies and applications

 Modelling surfaces and adsorption: the slab model, surface formation energy, surface stability, relaxation and reconstruction, adsorption energy

 Practical work:

A quick overview of the main features of molecular and periodic ab-initio codes.

 How to use Gaussian for Windows: how to prepare an input and to analyze and output file. How to visualize molecular structures with graphical user interfaces such as GaussView and Moldraw.

 Calculations of the rotational barriers of molecule through molecular mechanics (UFF)

 Water dimer as a prototypical system: geometry optimization and vibrational frequencies calculation. Visualization and analysis of computed data. Comparison of water dimer predicted properties with isolated water molecule ones: structural and vibrational frequencies changes. Discussion of computed results.

How to use a cluster approach to model hydroxyl groups at the surface of siliceous materials. Designing a simple structural model through the Moldraw graphical user interface. Prediction of the main structural and vibrational properties of the structural model alone and in interaction with ammonia. Extention of the minimal cluster model to cage-like cluster models. Comparison of the computed results with available experimental evidence.

 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.

 A periodic model to simulate hydroxyl groups at the surface of siliceous materials. The all-silica zeolite Edigtonite as a structural model. How to create a slab model from the 3D system. Prediction of the main structural and vibrational properties of the structural model alone and in interaction with ammonia. Discussion of computed results and comparison with experimental data.

 

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Testi consigliati e bibliografia

Lucidi delle lezioni e delle esercitazioni di laboratorio

 

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Note

Tipologia insegnamento :

  • Lezione e laboratorio (aula informatica)

16 ore di lezione frontale e 32 ore di esercitazioni in laboratorio (aula informatica)

Frequenza obbligatoria del laboratorio

 

16 hours lectures, 32 hours in a computer laboratory.

Mandatory only for the laboratory

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Ultimo aggiornamento: 18/05/2015 10:54
Location: https://stmateriali.campusnet.unito.it/robots.html
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