97678 - MODELLISTICA MOLECOLARE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente conosce i fondamenti teorici e le applicazioni pratiche dei principali modelli utilizzati in chimica computazionale, sa investigare la struttura elettronica, la struttura geometrica, e la dinamica di molecole, sa comprendere forme semplificate di programmi di calcolo utilizzati in chimica computazionale.

Contenuti

Il corso rappresenta un’introduzione generale al vasto e crescente mondo della modellistica molecolare. Verranno presentati e discussi criticamente i modelli per descrivere la struttura e le proprietà di molecole, di aggregati molecolari e solidi in fase condensata.

Il corso è organizzato in blocchi tematici: 

- introduzione generale, al fine di inquadrare la modellistica molecolare nel contesto chimico-fisico scientifico e tecnologico attuale,

- meccanica e dinamica molecolare, presentandone gli aspetti generali sia teorici che applicativi, focalizzandosi su sistemi molecolari in fase condensata,

- struttura elettronica di solidi (molecolari e non) mono-, bi- e tri-dimensionali cristallini, considerando in particolar modo approcci di tipo tight-binding con condizioni periodiche al contorno.

Il corso prevede lezioni frontali teoriche e brevi esperienze di laboratorio computazionale per l’applicazione pratica dei metodi teorici su sistemi molecolari.

Durante le lezioni i concetti teorici verranno sempre affiancati dalla discussione di applicazioni nel contesto chimico, chimico-fisico e della scienza dei materiali, seguendo esempi tratti dalla letteratura scientifica.

Al termine del corso lo studente avrà acquisito le nozioni base della modellistica molecolare, potendo affrontare criticamente lo studio delle proprietà chimico-fisiche e delle relazioni struttura-proprietà di sistemi molecolari e solidi cristallini complessi.

 

PARTE TEORICA

 

T1. INTRODUZIONE

cenni storici, evoluzione, sviluppi

primi modelli molecolari (geometrie molecolari e strutture elettroniche)

letteratura, fonti bibliografiche, tutorial e siti web di riferimento

 

T2. MODELLISTICA CLASSICA: MECCANICA MOLECOLARE

concetto di campo di forze (force field)

contributi al force field (interazioni di legame e di non legame):

- bond stretching, angle bending e torsional – esempi di potenziale

- interazioni elettrostatiche

- interazioni van der Waals, interazioni dispersive – esempi di potenziale

- legame idrogeno

esempi di campi di forze per applicazioni di dinamica molecolare su gas, liquidi e solidi

brevi cenni alla parametrizzazione di un campo di forze

brevi cenni a campi di forze reattivi (reactive force field)

 

T3. MODELLISTICA CLASSICA: DINAMICA MOLECOLARE

equazioni del moto e loro integrazione

algoritmo di Verlet, cenni ad altri algoritmi di integrazione, analisi della scelta del time-step

cenni ad ensembles e termostati

step per preparare una simulazione di dinamica molecolare

esempi e analisi essenziale dei risultati

 

T5.INTRODUZIONE E RIPASSO ALLE ONDE

descrizione matematica di un'onda e definizione di onda piana

descrizione matematica dei fenomeni di interferenza e diffrazione

concetto di vettore d'onda e spazio reciproco

discussione dell'importanza del formalismo ondulatorio nella modellistica di sistemi ordinati in fase solida

 

T6. STRUTTURA ELETTRONICA DI SOLIDI CRISTALLINI

reticoli cristallini, spazio reale e reciproco

definizione di zona di Brillouin ed esempi

relazione di dispersione:

- elettrone libero

- elettrone quasi-libero (potenziale periodico)

struttura elettronica di solidi cristallini:

- teorema di Bloch,

- teoria delle bande

- densità degli stati (DOS).

modello di Kronig-Penney

proprietà elettroniche dei materiali: isolanti, semiconduttori e conduttori.

tight-binding approximation per strutture periodiche mono-, bi- e tri-dimensionali.

esempi di sistemi molecolari periodici a base di carbonio:

- 1D, catene lineari (carbine)

- 2D, grafene e nanotubi di carbonio,

- 3D, grafite e diamante

 

ESECITAZIONI COMPUTAZIONALI

 

EC1. COSTRUZIONE E VISUALIZZAZIONE DI STRUTTURE MOLECOLARI

geometria molecolare (coordinate Cartesiane, coordinate interne Z-matrix)

esempi, costruzione e analisi critica di strutture molecolari

introduzione ai programmi di visualizzazione (Molden, Avogadro, Chimera, VMD, etc.)

 

EC2. STRUTTURA MOLECOLARE

esempi di meccanica molecolare

esempi di superfici di potenziale e ricerca di conformeri (cenni ad algoritmi stocastici e ad openBabel)

 

EC3. DINAMICA MOLECOLARE

esempi di dinamica molecolare:

- gas nobile

- sistema liquido (es.: acqua)

- solido molecolare

visualizzazione ed analisi dei risultati

 

EC4. STRUTTURA ELETTRONICA DI SOLIDI PERIODICI

integrazione della parte teorica con discussione di esempi di calcoli quantistici su semplici strutture periodiche, al fine di visualizzare ed interpretare la struttura elettronica a bande di solidi

cenni ed esempi commentati a software di stato solido (QuantumEspresso, CRYSTAL, etc.)

Testi/Bibliografia

Libri di testo suggeriti:

1) Molecular Modelling – Principles and Applications

Andrew R. Leach

(Longman)

 

2) Molecular Quantum Mechanics

Peter Atkins, Ronald Friedman

(Oxford University Press)

 

3) Introduction to Solid State Physics

Charles Kittel

(John Wiley & Sons, Inc., EIGHTH EDITION)

Verranno inoltre fornite le dispense e gli articoli scientifici presentati dal docente a lezione.

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni frontali teoriche ed esercitazioni computazionali per l’applicazione pratica dei metodi teorici su sistemi molecolari reali.

Durante le lezioni i concetti teorici verranno sempre affiancati dalla discussione di applicazioni pratiche seguendo esempi state-of-the-art tratti dalla letteratura scientifica

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Ogni studente dovrà effettuare una ricerca bibliografica su un argomento a scelta trattato durante il corso, preparando una presentazione in cui vengano mostrati criticamente i risultati di uno o due articoli scientifici.

Le tematiche e gli articoli scientifici di interesse dovranno essere concordati col docente durante il corso.

L'esame consiste nella discussione della presentazione e successive domande (potenzialmente su tutto lo spettro degli argomenti trattati nel corso).

Strumenti a supporto della didattica

1) PC, videoproiettore, openboard, dispense di lezione

2) Esercitazioni al calcolatore

3) Il materiale didattico presentato in laboratorio verrà messo a disposizione dello studente attraverso la piattaforma VIRTUALE.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Daniele Fazzi