9360-0141/06 – Molekulární modelování a design nanomateriálů (MOLMOD)
| Garantující katedra | Centrum nanotechnologií | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D. | Garant verze předmětu | doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 2 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | angličtina |
| Rok zavedení | 2019/2020 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | USP, FMT | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
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:
Doporučená literatura:
Další studijní materiály
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Studijní výsledky jsou ověřovány průběžně v rámci cvičení. Výsledky cvičení jsou zpracovány ve formě pěti protokolů (max. 4 body za protokol, požadované minimum 2 body). Je vypracována samostatná semestrální práce (max. 20 bodů, požadované minimum 10 bodů). Body za zápočet jsou dány body za protokoly a semetrální práci (max. 40 bodů, požadované minimum 20 bodů). Následuje ústní zkouška (max. 60 bodů, požadované minimum 31 bodů).
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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.