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 in fase gassosa e condensata, e di solidi cristallini.

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 cristallini mono-, bi- e tri-dimensionali, considerando approcci di tipo tight-binding con condizioni periodiche al contorno.

Il corso prevede lezioni frontali teoriche e brevi esperienze di laboratorio computazionale (esempi di input/output da analizzare).

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/la 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 di strutture molecolari;
introduzione ai programmi di visualizzazione (Avogadro, Chimera, VMD).

EC2. RICERCA DI CONFORMERI 
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 input/output per:
- gas nobile
- sistema liquido (es.: acqua)
- solido molecolare
visualizzazione ed analisi dei risultati

EC4. STRUTTURA ELETTRONICA DI SOLIDI PERIODICI
esempi di calcoli quantistici su semplici strutture cristalline, al fine di visualizzare ed interpretare la struttura elettronica a bande dei solidi;
brevi cenni ed esempi commentati a software di stato solido (QuantumEspresso)

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.

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

Gli studenti con Disabilità possono contattare il Servizio Studenti dell’Università di Bologna, il referente del Dipartimento, o il docente del corso per concordare le modalità più adatte per consultare il materiale didattico, accedere alle aule per le lezioni frontali e per concordare le modalità di esame.

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