9360-0141/05 – Molekulární modelování a design nanomateriálů (MOLMOD)

Garantující katedraCentrum nanotechnologiíKredity5
Garant předmětudoc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinně volitelný typu A
Ročník2Semestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2019/2020Rok zrušení
Určeno pro fakultyUSP, FMTUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
TOK006 doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Student bude schopen: diskutovat rozdíly mezi kvantovou a molekulární mochanikou, klasifikovat a charakterizovat silová pole, klasifikovat a charakterizovat algoritmy používané v molekulární mechanice a dynamice, diskutovat a interpretovat výsledky molekulárních simulací, porovnat výsledky simulací s experimentálními daty a vyvodit závěr o vlastnostech nanomateriálu, aplikovat metody molekulárního modelování ve vývoji nanomateriálů.

Vyučovací metody

Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)

Anotace

Tento předmět seznamuje studenta s významným nástrojem současného vědeckého výzkumu – počítačovým molekulárním modelováním. Větší část předmětu je věnována teorii molekulárního modelování s využitím silových polí, tj. molekulární mechanice a klasické molekulární dynamice, avšak pozornost je věnována rovněž metodám Monte Carlo a mezoškálovým metodám. Další část je pak věnována konkrétnímu použití molekulární mechaniky a dynamiky ve výzkumu a vývoji nanomateriálů, přičemž je kladen důraz na součinnost molekulárního modelování a experimentu pro pochopení vztahu mezi strukturou a vlastnostmi. Předešlé znalosti studentů z oblasti instrumentální analýzy jsou tímto doplněny a rozšířeny o další možnosti charakterizace nanomateriálů. Přednášky jsou doplněny mnoha ukázkami ze současné odborné literatury, ale rovněž z vědecké praxe. Součástí předmětu jsou praktická cvičení, ve kterých studenti aplikují získané vědomosti z oblasti molekulárního modelování k řešení praktických příkladů.

Povinná literatura:

POSPÍŠIL, M. and M. VETEŠKA. Computational procedures in molecular dynamics. Materials Structure. 2012, vol. 19, no. 2, pp. 71-74. COMBA, P. and T. W. HAMBLEY. Molecular modeling of inorganic compounds. 2nd ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2001. ISBN 3-527-297778-2. HINCHLIFFE, A. Molecular modelling for beginners. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2008. ISBN 978-0470513149.

Doporučená literatura:

SMIT, B. and D. FRENKEL. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 2002. ISBN 978-0122673511.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

Písemná forma. Studijní výsledky jsou ověřovány průběžně v rámci cvičení. Výsledky cvičení jsou zpracovány ve formě protokolů. Je vypracována samostatná semestrální práce. Na konci semestru studenti podstupují zápočtový test. Přihlíženo je také k protokolům a semestrální práci. Minimální požadovaný výsledek 50 %. Zkouška sestává z písemné a ústní části.

E-learning

Další požadavky na studenta

Kromě účasti na cvičení je v průběhu semestru požadováno vypracování protokolu z každého cvičení a samostatné semestrální práce.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

1. Po úvodních informacích o počítačových simulacích coby teoretickém experimentu, doplňujícím teorii a experiment, budou studenti seznámeni s historií výpočetní chemie. Druhá část úvodní přednášky bude věnována příkladům využití molekulárního modelování na konkrétních výsledcích publikovaných ve vědeckých časopisech. 2. Bude diskutována výpočetní náročnost molekulárních simulací a v souvislosti s tímto tématem bude zmíněno také téma klastrů a paralelizace. Dále bude pozornost věnována základním principům kvantové a molekulární mechaniky a jejich srovnání. 3. Pozornost bude věnována vazebným a nevazebným interakcím a jejich empirickému popisu. Budou popsány členy rovnice potenciální energie a bude vysvětlen pojem potenciálové plochy. Po definici pojmu silové pole budou zmíněny jednotlivé druhy silových polí, jejich klasifikace a studenti budou seznámeni s pojmem atomových typů v rámci silových polí. 4. Budou probrány metody výpočtu atomových nábojů a v souvislosti s periodickými podmínkami bude vysvětlena Ewaldova sumace. V návaznosti na předešlou přednášku bude diskutována problematika globálního a lokálního minima potenciálové plochy. Bude představeno základní rozdělení optimalizačních algoritmů. 5. Pozornost bude věnována základním deterministickým derivačním optimalizačním algoritmům. Kromě obecného popisu bude každý algoritmus demonstrován na konkrétním příkladu. Studenti budou seznámeni s implementací těchto algoritmů do modelovacího prostředí Materials Studio. 6. V návaznosti na předchozí téma bude pozornost věnována základním deterministickým nederivačním optimalizačním algoritmům. Kromě obecného popisu bude každý algoritmus demonstrován na konkrétním příkladu. Dále budou probrány generátory náhodných a pseudonáhodných čísel. 7. Pozornost bude věnována metodám a simulacím Monte Carlo. Bude představena metoda simulovaného žíhání a budou prezentovány příklady simulací Monte Carlo v modelovacím prostředí Materials Studio. 8. Po úvodním ozřejmění pojmu molekulární dynamika budou probrány druhy integračních algoritmů. Studenti budou seznámeni s implementací těchto algoritmů do modelovacího prostředí Materials Studio. Pozornost bude věnována rovněž různým typům termostatů a barostatů. 9. Studenti budou seznámeni s mezoškálovými simulačními metodami, přičemž pozornost bude věnována zejména disipativní částicové dynamice. Dále bude probrán multiškálový přístup k simulacím a budou ukázány příklady jeho využití. 10. Bude probrána problematika mísitelnosti polymerů a bude představena Floryho-Hugginsova teorie. V návaznosti na toto i předešlé téma bude věnována pozornost problematice modelování nanostruktur na bázi polymerů. 11. Pozornost bude věnována vztahu struktury a vlastností molekul a problematice molekulárních deskriptorů. Studenti budou seznámeni s principem a využitím metod QSAR, QSPR, atd. 12. Bude diskutována součinnost počítačových simulací a experimentu. Studenti budou seznámeni s využitím experimentálních dat jakožto vstupních údajů pro stavbu iniciálních modelů. Pozornost bude dále věnována verifikaci výsledků modelování a tvorbě modelovací strategie na základě experimentálních dat. 13. V návaznosti na předchozí téma budou probrány vhodné modelovací strategie pro vybraný okruh nanomateriálů. Pozornost bude věnována zejména interkalační chemii a povrchově modifikovaným nanostrukturám. 14. Test.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2019/2020 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 40  21
        Zkouška Zkouška 60  31
Rozsah povinné účasti: Účast na přednáškách není povinná. Účast na cvičeních je povinná.

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2021/2022 (N0719A270002) Nanotechnologie MM1 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu A stu. plán
2020/2021 (N0719A270002) Nanotechnologie MM1 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu A stu. plán
2019/2020 (N0719A270002) Nanotechnologie MM1 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu A stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku