Logo UAB
2019/2020

Simulació de Sistemes Nanomètrics

Codi: 103304 Crèdits: 6
Titulació Tipus Curs Semestre
2501922 Nanociència i Nanotecnologia OT 4 0

Professor/a de contacte

Nom:
Jose Miguel Alonso Pruneda
Correu electrònic:
JoseMiguel.Alonso@uab.cat

Utilització d'idiomes a l'assignatura

Llengua vehicular majoritària:
espanyol (spa)
Grup íntegre en anglès:
No
Grup íntegre en català:
No
Grup íntegre en espanyol:
No

Equip docent

Jordi Faraudo Gener

Prerequisits

És recomanable tenir bons coneixements de Mecànica Quàntica i Física de l'Estat Sòlid. Coneixements bàsics de UNIX i fonaments de programació (FORTRAN, python, o C / C ++) són desitjables.

Objectius

Assolir una visió global dels mètodes de càlcul en sistemes nanomètrics, i les possibilitats i limitacions de cada tècnica. Entendre els principis fonamentals del càlcul d'estructura electrònica i dels algoritmes de dinàmica molecular. Introduir les bases de la programació, i conèixer l'estructura general dels codis de simulació en llenguatges de programació científica més freqüents. Aplicar aquests mètodes computacionals a l'estudi de sistemes bio-nano-tecnològics. Desenvolupar habilitats bàsiques per al desenvolupament d'un projecte de recerca en equip, i exposició pública de les conclusions de l'estudi.

Competències

  • Adaptar-se a noves situacions.
  • Aplicar els conceptes, principis, teories i fets fonamentals relacionats amb la nanociència i la nanotecnologia a la resolució de problemes de natura quantitativa o qualitativa en l'àmbit de la nanociència i la nanotecnologia.
  • Aprendre de manera autònoma.
  • Comunicar-se amb claredat en anglès.
  • Comunicar-se oralment i per escrit en la llengua pròpia.
  • Demostrar motivació per la qualitat.
  • Demostrar que es comprenen els conceptes, principis, teories i fets fonamentals relacionats amb la nanociència i la nanotecnologia.
  • Gestionar l'organització i la planificació de tasques.
  • Interpretar les dades obtingudes mitjançant mesures experimentals, incloent-hi l'ús d'eines informàtiques, identificar-ne el significat i relacionar-les amb les teories químiques, físiques o biològiques apropiades.
  • Liderar i coordinar grups de treball.
  • Obtenir, gestionar, analitzar, sintetitzar i presentar informació, incluent-hi la utilització de mitjans telemàtics i informàtics.
  • Operar amb un cert grau d'autonomia.
  • Proposar idees i solucions creatives.
  • Raonar de forma crítica.
  • Reconèixer els termes relatius als àmbits de la física, la química, la biologia, la nanociència i la nanotecnologia en llengua anglesa i fer servir l'anglès de manera eficaç per escrit i oralment en l'àmbit laboral.
  • Reconèixer i analitzar problemes físics, químics i biològics en l'àmbit de la nanociència i la nanotecnologia i plantejar respostes o treballs adequats per a la seva resolució, incloent-hi en els casos necessaris l'ús de fonts bibliogràfiques.
  • Resoldre problemes i prendre decisions.
  • Treballar en equip i cuidar les relacions interpersonals de treball.

Resultats d'aprenentatge

  1. Adaptar-se a noves situacions.
  2. Analitzar correctament les bases de dades mitjançant paquets estadístics.
  3. Aplicar els conceptes de la programació estructurada i orientada a objectes al desenvolupament de programes per a la simulació i computació de propietats en la nanoescala.
  4. Aplicar els continguts teòrics adquirits a l'explicació de fenòmens experimentals.
  5. Aplicar tècniques Monte Carlo a la resolució de problemes en nanotecnologia.
  6. Aprendre de manera autònoma.
  7. Avaluar els resultats experimentals de manera crítica i deduir-ne el significat.
  8. Comprendre textos i bibliografia en anglès sobre cadascuna de les tècniques, metodologies, eines i instruments de la matèria.
  9. Comunicar-se amb claredat en anglès.
  10. Comunicar-se oralment i per escrit en la llengua pròpia.
  11. Demostrar motivació per la qualitat.
  12. Exposar informes breus sobre la matèria en anglès.
  13. Fer cerques bibliogràfiques de documentació científica.
  14. Gestionar l'organització i la planificació de tasques.
  15. Identificar els diferents paradigmes de simulació en la nanoescala (primers principis, mètodes semiempírics, mètodes de continu, dinàmica molecular).
  16. Identificar les situacions en les quals les diferents metodologies estudiades poden ajudar a resoldre situacions problemàtiques i saber seleccionar la tècnica més òptima
  17. Interpretar discrepàncies entre resultats teòrics i pràctics (incloent simulació) trobats a les mesures.
  18. Interpretar les capacitats d'un programa de simulació en funció dels termes que el model incorpora i dels efectes que se'n deriven.
  19. Liderar i coordinar grups de treball.
  20. Obtenir, gestionar, analitzar, sintetitzar i presentar informació, incluent-hi la utilització de mitjans telemàtics i informàtics.
  21. Operar amb un cert grau d'autonomia.
  22. Proposar idees i solucions creatives.
  23. Raonar de forma crítica.
  24. Reconèixer el rang d'aplicabilitat, tant respecte a mides del sistema com als tipus de propietats computables, d'aquests paradigmes de simulació.
  25. Reconèixer els termes propis de cadascun dels tòpics de la matèria Metodologies i experimentació en nanociència i nanotecnologia.
  26. Redactar informes sobre la matèria en anglès.
  27. Resoldre problemes amb l'ajuda de bibliografia complementària proporcionada.
  28. Resoldre problemes i prendre decisions.
  29. Treballar en equip i cuidar les relacions interpersonals de treball.
  30. Utilitzar adequadament els reposadors i llibreries de mètodes numèrics per a la resolució dels problemes d'àlgebra lineal que apareixen en la simulació de sistemes nanomètrics.
  31. Utilitzar programes per a càlculs de primers principis i de dinàmica molecular.

Continguts

Introducció a la programació (7 hores)

Fonaments de programació (Fortran / python). Estructura modular dels programes. Utilització de variables, funcions i subrutines. Ús de llibreries. Introducció a algoritmes bàsics. Condicions de contorn. Estructura d'un programa Tight-Binding: Construcció del Hamiltonià, diagonalització i autoconsistencia. Estructura d'un programa senzill de dinàmica molecular: recerca de veïns, càlcul d'energia total i forces, equacions del moviment.

Mètodes d'estructura electrònica en la nano-escala (9 hores)

Introducció a la simulació de nanosistemas.El problema de l'estructura electrònica: l'aproximació Hartree-Fock i les correlacions electrónicas.Fundamentos de la Teoria del Funcional de la Densitat. Les equacions de Kohn-Sham. L'aproximació de l'pseudopotencial. Representacions de les funcions d'ona electrònica. Mètodes semi-empírics: Tight-Binding. Prediccions de propietats de materials.

Simulació atomística de sistemes namétricos en equilibri i fera de l'equilibri (16 hores)

Fonaments del mètode de MonteCarlo i ejemplos.Modelización atomística: mètodes de visualització formats de dades, bases de dades. Modelització atomística: fonaments del mètode de Dinàmica Molecular. Dinàmica Molecular Ab Initio. Dinàmica Molecular amb camps de forces. Exemples d'aplicació a simulació de sistemes nanomètrics. Simulació de col·lectivitats termodinàmiques: termòstats i barostatos. Exemples pràctics d'aplicació a sistemes bio-nano. Ús d'estructures de bases de dades de biologia estructural per a simulacions de dinàmica molecular. Dinàmica molecular fora d'equilibri:forces i camps externs, gradients tèrmics.

Pràctiques de laboratori (20 hores)

Pràctiques guiades en ordinador sobre els diferents aspectes teòrics exposats en les classes magistrals.

Metodologia

La formació es basarà en classes magistrals, problemes d'aula, i pràctiques en laboratori de computació. L'alumne també haurà de resoldre problemes individuals que seran avaluats, i desenvolupar un petit projecte de recerca en grup, que s'exposarà públicament a classe.

Activitats formatives

Títol Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Tipus: Dirigides      
Classes Magistrals 25 1 1, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28
Pràctiques d'Aula 7 0,28 1, 2, 3, 6, 8, 10, 11, 13, 14, 16, 20, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31
Pràctiques de laboratori 20 0,8 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31
Tipus: Autònomes      
Estudi i resolució de problemes 33 1,32 6, 8, 21, 23, 25, 28
Practical work 25 1 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 19, 20, 22, 26, 28, 29

Avaluació

Les pràctiques són obligatòries. Avaluació contínua mitjançant presentació de problemes (15%), pràctiques de laboratori i informes de les mateixes (40%). Es plantejaran petits projectes individuals que seran exposats (preferiblement en anglès) com a part de l'avaluació final (45%). 

 

Activitats d'avaluació

Títol Pes Hores ECTS Resultats d'aprenentatge
Problemes independents 15% 10 0,4 6, 8, 10, 11, 13, 17, 21, 22, 23, 27, 28
Projecte pràctic final 45% 20 0,8 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31
informe pràctiques de laboratori 40% 10 0,4 2, 3, 4, 7, 8, 10, 14, 16, 17, 21, 22, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31

Bibliografia

"Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods", R. M. Martin, Cambridge Univ. Press. 2004.

"Molecular Modelling Basics, Jan H. Hensen, CRC Press, 2010
 
"Understanding Molecular Simulation", Daan Frenkel y Berend Smit, Academic Press, 2n edition 202

"The Art of Molecular Dynamics Simulation", D. C. Rapaport, Cambridge Univ. Press. 1995.

"Computer Simulations of Liquids", M. P. Allen & D. J. Tildesley, Oxford Univ. Press. 1989.