12669 - LABORATORIO DI CHIMICA FISICA DEI MATERIALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso fornisce una introduzione, basata principalmente su esercitazioni pratiche al calcolatore accompagnate da richiami di fondamenti teorici, della tecnica di modellazione (a) molecular mechanics, e delle tecniche di simulazione al calcolatore Monte Carlo (MC) e molecular dynamics (MD) classica. Il corso non assume nessuna conoscenza pregressa di fisica statistica e linguaggi di programmazione. Le esercitazioni sono basate su software open source e "in-house". Una familiarita' con il sistema operativo Unix (Linux) e' utile ma non necessaria (il corso fornisce una panoramica delle conoscenze e dei comandi essenziali).

Contenuti

Introduzione a UNIX (Linux): login e logout; utilizzo di base dell'ambiente X11; comandi principali di Unix; gestione elementare dei file e delle directory; uso di Emacs e GNUplot. Introduzione alle tecniche di modellazione Molecular Mechanics (MM): campi di forza MM2, MM3 e loro parametrizzazione; energie di stiramento, deformazione, torsionali e di non legame; costruzione di una struttura molecolare mediante matrice Z (molden), formati XYZ PDB e MOL; visualizzazione di una struttura molecolare (rasmol); determinazione della struttura di minima energia MM (tinker); algoritmi di minimizzazione non-derivativi, derivativi, simulated-annealing, genetici; calcolo MM delle energie d'anello di ciclo-alcani; calcolo delle energie delle conformazioni a sedia, mezza-sedia, ritorta, planare e a barca del cicloesano; effetto dell'algoritmo di minimizzazione sull'ottenimento del conformero piu' stabile; calcolo del profilo di energia conformazionale del n-butano. Introduzione alle simulazioni Monte Carlo (MC): cenni di fisica statistica; funzioni di distribuzione; principio di reversibilita' microscopica; campionamento da una distribuzione e metodo del rigetto di Von Neumann; cenni sui generatori di numeri pseudo-casuali; mosse casuali MC e algoritmo di Metropolis; potenziale di Lennard-Jones (LJ); run di equilibrazione e di produzione; simulazione MC di un fluido LJ; effetto del rapporto di accettazione delle mosse MC e dell'ampiezza della distribuzione uniforme di campionamento; analisi dei risultati delle simulazioni MC e calcolo di proprieta' termodinamiche medie; effetto del cutoff del potenziale e condizioni al contorno periodiche; effetto delle dimensioni del campione e analisi delle fluttuazioni; struttura di un liquido e funzione di correlazione radiale; teorema del viriale e calcolo della pressione; simulazioni MC a pressione costante; simulazione MC della transizione liquido-vapore lungo una isobara di un fluido LJ. Introduzione alle simulazioni molecular dynamics (MD): equazioni del moto di Hamilton; approssimazione alle differenze finite; integratori simplettici delle equazioni del moto; simulazione di un fluido LJ; effetto del time step sulla conservazione dell'energia totale; calcolo di proprieta' statiche e dinamiche; teorema del viriale e calcolo della pressione; calcolo della temperatura; simulazioni MD a temperatura e pressione costante; funzioni di correlazione; funzione di auto-correlazione della velocita'; coefficiente di diffusione; simulazione MD della transizione liquido-vapore lungo una isoterma di un fluido LJ; localizzazione della transizione mediante costruzione di Maxwell; costruzione delle curve di coesistenza e spinodale; metastabilita', confronto con il fluido di van der Waals.

Testi/Bibliografia

Michael P. Allen and Dominique J. Tildesley, "Computer Simulation of Liquids", (Clarendon Press, Oxford, 1987). Daan Frenkel and Berend Smit, "Understanding Molecular Simulation: from Algorithms to Applications", (Academic Press, San Diego, 1996). Andrew Leach, "Molecular Modelling: Principles and Applications", (2nd Edition), (Prentice Hall, Harlow, 2001). Frank Jensen, "Introduction to Computational Chemistry", (John Wiley & Sons, Chichester, 1999).

Metodi didattici

Il corso permette agli studenti di utilizzare e sperimentare in prima persona le tecniche computazionali piu' rilevanti discusse nel corso di "Chimica Fisica dei Materiali". Le lezioni sono tenute nel laboratorio informatico e sono strutturate come una alternanza tra esposizioni concise delle basi teoriche con esercitazioni pratiche al calcolatore. Gli studenti sono incoraggiati a discutere il significato fisico dei risultati numerici ottenuti dai programmi e algoritmi per estrarre informazioni utili dalla massa grezza di dati ottenuti dalle simulazioni. Le lezioni sono preferenzialmente tenute in lingua Inglese. Gli studenti sono incoraggiati a porre domande e a commentare i risultati degli esperimenti al calcolatore usando la lingua lnglese.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Gli studenti sono divisi in piccoli gruppi di due-tre persone e scrivono alla fine del semestre due brevi tesine in cui discutono criticamente i risultati delle: (a) simulazioni MC e MD, e (b) calcoli MM. Le tesine devono essere consegnate almeno una settimana prima della data dell'esame finale. La valutazione di queste tesine contribuisce al voto finale dell'esame di "Chimica Fisica dei Materiali"

Strumenti a supporto della didattica

Dispense e altro materiale didattico (in lingua Inglese) forniti durante le lezioni. Le simulazioni al calcolatore e gli altri calcoli sono eseguiti sotto il sistema operativo Unix (Linux - Debian http://www.debian.org). I software computazionali utilizzati sono sia semplici codici Fortran 77 e 90 sviluppati specificatamente "in-house" e compilati con g95 (http://www.g95.org), e altri pacchetti open source: tinker (http://dasher.wustl.edu/tinker), molden (http://www.cmbi.kun.nl/%7Eschaft/molden/molden.htm ), rasmol (http://www.openrasmol.org).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Roberto Berardi