Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	Elementi di fisica quantistica e di fisica dello stato solido. Concetti di base di termodinamica: principi, potenziali termodinamici. Non sono richieste conoscenze di programmazione.
Conoscenze e abilita' da acquisire:	Il corso si propone di fornire agli studenti le basi per la comprensione dei metodi computazionali usati nell'ambito della scienza dei materiali. Questo permettera' allo studente: - di comprendere come i metodi computazionali possano essere usati per capire e predire il comportamento dei materiali e la relazione tra le proprietà macroscopiche e la struttura microscopica della materia; - di riconoscere le tecniche numeriche adatte per le diverse scale spaziali e temporali; - di valutare le assunzioni e delle approssimazioni che stanno alla base delle diverse tecniche di calcolo. Alla fine del corso lo studente sara' in grado di giudicare in maniera critica potenzialita' e limiti dei metodi computazionali usati per lo studio dei materiali e di valutare la qualità delle simulazioni riportate in letteratura. Inoltre avrà raggiunto una maggiore comprensione dell'origine microscopica del comportamento fisico della materia. Infine avra' acquisito le nozioni di base per l'impiego di alcuni comuni pacchetti di calcolo.
Modalita' di esame:	Esame orale in cui lo studente discuterà elaborati scritti in cui vengono riportati i risultati di tre simulazioni numeriche (calcoli Monte Carlo, di Dinamica Molecolare e DFT).
Criteri di valutazione:	Comprensione dei principali concetti che stanno alla base di metodi per la simulazione numerica di proprieta' della materia condensata. Capacita' di interpretare e presentare i risultati di simulazioni fatte al calcolatore.
Contenuti:	Richiami di termodinamica e meccanica statistica classica. Simulazioni di Dinamica Molecolare classica; integrazione numerica delle equazioni di Newton. Metodi Monte-Carlo; algoritmo di Metropolis. Simulazioni in diversi ensemble statistici. Aspetti comuni dei metodi di simulazione: condizioni iniziali e condizioni al contorno; calcolo delle interazioni tra particelle. Calcolo di grandezze termodinamiche e di proprietà di trasporto. Interazioni intermolecolari; campi di forze (force fields); modelli atomistici e 'coarse grained'. Metodi variazionali per la soluzione di equazioni di Schrodinger. Teoria di Hartree e Hartree-Fock. Elementi di Teoria del Funzionale Densita' (DFT). Simulazioni "da principi primi". I diversi metodi verranno discussi in relazione ad applicazioni a problemi di interesse per la scienza dei materiali (cristalli, superfici, soft matter, materiali naostrutturati). Il corso e' integrato da esercitazioni al calcolatore. Nelle esercitazioni lo studente effettuera' semplici simulazioni usando pacchetti di calcolo open-source che vengono correntemente usati per lo studio dei materiali, e imparera' a interpretare e a presentare i risultati delle simulazioni.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Il corso verra' tenuto dal prof. Francesco Ancilotto e dalla prof. Alberta Ferrarini. Il corso prevede lezioni d'aula ed esercitazioni al calcolatore in aula informatica.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	Dispense e copie di diapositive foriniti dai docenti. Il materiale didattico verra' messo a disposizione nel sito web dei docenti. Ulteriore materiale di approfondimento (articoli di tipo generale o su argomenti specifici, manuali d'uso dei programmi di calcolo, ..) verranno condivisi in dropbox.
Testi di riferimento:	M. P. Allen, D. .J. Tildesley, Computer simulation of liquids - 2nd Edition. Oxford: Oxford University Press, 2017. D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulations, 2nd edition. San Diego: Academic Press, 2002. R. LeSar, Introduction to Computational Materials Science. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.