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Oggetto:
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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 2018/2019

Codice dell'attività didattica
MFN0675
Docenti
Prof. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Prof. 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 semestre
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.

Fundamentals of quantum mechanics, basics of solid state physics and crystallography.

Propedeutico a

Il corso è propedeutico agli insegnamenti di chimica fisica dei materiali che fanno uso di strumenti modellistico-teorici.

Acquired knowledge on theory and modelling will be useful to courses on physical chemistry of materials

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Sommario insegnamento

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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.

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

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

 

Students are expected to:

a) to know the meaning of the computational approach in materials science and its role and importance in the study of materials

b) to know the meaning of a computer experiment and strategies to create model systems

c) to learn how to use computational tools to study molecular and crystalline systems

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Modalità di insegnamento

Tipologia insegnamento :

  • Lezione e laboratorio (aula informatica)

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

La frequentazione è obbligatoria per almeno il 70% delle esercitazioni in aula informatica

 

16 hours lectures, 32 hours in a computer laboratory.

The attendance to lectures is not obligatory but it is compulsory for at least 70% of the practical work

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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.

La prova pratica pesa per l'80% del voto dell'esame mentre le domande contano per il restante 20%

The exam consists in a practical work based on the hands-on sessions in the computer room and some (usually 3) questions on topics discussed in the lectures.

For the  final score of the exam, the practical work accounts for 80% while questions for 20%

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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.

- 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.

 

Testi consigliati e bibliografia

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Lucidi delle lezioni e delle esercitazioni di laboratorio

 Copy of the slides of the lectures and practical work will be provided by teachers



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Orario lezioni

Lezioni: dal 04/03/2019 al 14/06/2019

Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Ultimo aggiornamento: 15/11/2017 10:00