95746 - MATERIALS MODELLING AND DESIGN

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the students will learn advanced modeling and simulation techniques to predict materials behavior over different scales. They will understand how the fundamental physics necessary to describe materials in terms of electrons and atoms enters in numerical simulations and how it relates to the macroscopic function of materials. The electronic structure will be treated by quantum mechanical calculations, atomistic processes by molecular dynamics, mesoscale evolution by kinetic Monte Carlo and machine learning.Through hands-on sessions the students will become able to design and perform computer experiments using (and linking) the computational methods that are more suitable for the problem at hand. They will be challenged in integrating in silico experiments to real experiments for solving problems that are fundamental in nature and yet have great technological impact. Applied case studies include: Chemical reactions at surfaces and interfaces; Tribological (adhesion and friction), Mechanical and Electronic properties of solids and 2D materials.

Contenuti

METODI

1. Interazioni atomiche

La teoria del funzionale della densità in breve

Potenziali semi-empirici ed empirici

Potenziali Machine Learning 

2. Evoluzione del sistema su scala atomistica

• Introduzione alla dinamica molecolare
• Dinamica molecolare ab initio

3. Reazioni chimiche ed eventi rari

• Teoria dello stato di transizione
• Metodi per trovare il percorso a minima energia sulle superfici di energia potenziale

4. Simulazioni multiscala

• Monte Carlo cinetico
• Dinamica Molecolare basata su potenziali Machine Learning

5. Design di materiali

Introduzione ai calcoli high throughput da principi primi

 

SISTEMI ESPLORATI ATTRAVERSO ATTIVITÀ PRATICHE

1. SOLIDI CRISTALLINI (bulk)

• Calcolo della struttura a bande e della densità degli stati di metalli e semiconduttori

2. SUPERFICI

• Indici di Miller, rilassamento e ricostruzione delle superfici, energia di superficie
• Costruzione e ottimizzazione del modello di superficie, calcolo ab initio dell’energia di superficie

3. ADSORBIMENTO E DISSOCIAZIONE MOLECOLARE

• Fisisorbimento e chemisorbimento molecolare
• Identificazione della configurazione di adsorbimento più stabile e dell’energia di adsorbimento di una molecola su una superficie
• Calcolo ab initio dell’energia di reazione per la dissociazione molecolare su superficie
• Calcolo ab initio della barriera energetica per la dissociazione molecolare tramite il metodo nudging elastic band

4. INTERFACCE SOLIDE

• Costruzione e ottimizzazione del modello di interfacce solide
• Simulazione della dinamica di molecole confinate alle interfacce

Testi/Bibliografia

Libri

• R. M. Dreizler and E. K. U. Gross Density functional theory: an approach to the quantum many-body problem
• D. S. Sholl and J. A. Steckel Density Functional Theory: A Practical Introduction
• D. Frankel and B. Smit Understanding Molecular Simulations
  
• E. B. Tadmor and R. E. Miller Modeling Materials

Rassegne e articoli scientifici fanno parte dei testi di riferimento del corso. La bibliografia completa sarà fornita all'interno delle dispense.

Metodi didattici

Lezioni frontali e sessioni pratiche in laboratorio computazionale.

Considerata la tipologia dell’attività e i metodi didattici adottati, la frequenza a questa attività formativa richiede la partecipazione preventiva di tutti gli studenti ai Moduli 1 e 2 della formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, disponibili in modalità e-learning al seguente link: [https://elearning-sicurezza.unibo.it/ ]

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame sarà composto da una parte pratica, incentrata sull’esecuzione di un progetto di ricerca computazionale, e da un colloquio.

Strumenti a supporto della didattica

Blackboard, Slides, Computer applications

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maria Clelia Righi