Lecture is based on knowledge of solid physics. The aim is to show new trends in structure analysis and describe properties in design of new perspective materials. Theoretical basis of molecular simulations with empirical potentials i.e. molecular mechanics and molecular dynamics is presented. Practical exercises are done in the Cerius2 and Material Studio modelling environment.
Last update: POSPISIL/MFF.CUNI.CZ (04.04.2008)
Přednáška navazuje na základní kurs fyziky kondenzované fáze. Cílem je prezentovat posluchačům učitelství nový trend ve studiu struktury a vlastností látek, aplikovatelný ve vývoji nových materiálů. Obsahem jsou teoretické základy molekulárních simulací s využitím empirických potenciálů - molekulární mechaniky a molekulární dynamiky. Na praktických příkladech jsou molekulární simulace procvičovány s využitím výkonné grafiky a programového systému Cerius2 a Material Studio.
Z důvodů omezené kapacity laboratoře probíhá výuka v obou semestrech, student si zapíše jeden z nich.
Určeno pro navazující magisterské studium UVVP MF/SŠ.
Aim of the course -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Acquaintance of the students with the latest methods and procedures in the development of new materials with the required properties by molecular simulation methods.
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Seznámení posluchačů s nejnovějšími metodami a postupy pří vývoji nových materiálů s požadovanými vlastnostmi metodami molekulárních simulací.
Course completion requirements -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Gaining credit is a condition for taking the exam.
The credit is tied to the credit calculation task, it is assumed that there will be corrective terms for obtaining the credit and the exam.
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Zisk zápočtu je podmínkou pro konání zkoušky.
Zápočet je vázán na zápočtový výpočetní úkol, předpokládá se, že budou opravné termíny pro zisk zápočtu i zkoušky.
Literature -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
P. Comba, T.W. Hambley: Molecular Modeling of Inorganic Compouds, VCH, 1995, Weinheim.
C.R.A. Catlow, A.M. Stoneham and Sir J. M. Thomas eds.: New methods for modelling processes within solids and at their surfaces, Oxford science publications, 1993, Cambridge
Vassilios Galiatsatos ed.: Molecular simulation methods for predicting polymer properties, Wiley, 2005, New Jersey.
K.I.Ramachadran, G. Deepa, K. Namboori: Computational Chemistry and Molecular Modeling, Springer-Verlag, 2008, Berlin Heidelberg.
C.V. Ciobanu, C.-Z. Wang, K.M. Ho: Atomic Structure Prediction of Nanostructures, Clusters and Surfaces, Wiley-VCH, 2013, Singapore.
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
P. Comba, T.W. Hambley: Molecular Modeling of Inorganic Compouds, VCH, 1995, Weinheim.
C.R.A. Catlow, A.M. Stoneham and Sir J. M. Thomas eds.: New methods for modelling processes within solids and at their surfaces, Oxford science publications, 1993, Cambridge
Vassilios Galiatsatos ed.: Molecular simulation methods for predicting polymer properties, Wiley, 2005, New Jersey.
K.I.Ramachadran, G. Deepa, K. Namboori: Computational Chemistry and Molecular Modeling, Springer-Verlag, 2008, Berlin Heidelberg.
C.V. Ciobanu, C.-Z. Wang, K.M. Ho: Atomic Structure Prediction of Nanostructures, Clusters and Surfaces, Wiley-VCH, 2013, Singapore.
Teaching methods -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Lecture (1h) and exercise (1h).
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Přednáška (1h) a cvičení (1h).
Requirements to the exam -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
The exam consists of written preparation and an oral part. Written preparation precedes the oral part. The student receives three questions, each question is evaluated with a mark and the final mark is the average mark of the marks for each question. If one of the questions is not sufficiently answered, it means that the exam has not been passed. Failure to pass the exam means that three various questions will be asked again at the next deadline.
The requirements for the oral part of the exam correspond to the syllabus of the subject to the extent that was presented at the lecture.
It is probable that a significant part of exams or credits can take place in a distance form. It depends on the development of the current situation and you will be informed about any changes in time.
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Zkouška sestává z písemné přípravy a ústní části. Písemná příprava předchází části ústní. Student obdrží tři otázky, každá otázka je hodnocena známkou a výsledná známka je průměrnou známkou ze známek u jednotlivých otázek. Je-li jedna z otázek hodnocena známkou nevyhověl(a) znamená to nesplnění zkoušky. Nesložení zkoušky znamená, že při příštím termínu budou položeny opět tři otázky.
Požadavky u ústní části zkoušky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.
Je pravděpodobné, že se značná část zkoušek či zápočtů může konat distanční formou. Závisí to na vývoji aktuální situace a o jakékoli změně budete včas informováni.
Syllabus -
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Molecular simulations describing structure-properties relationship and including molecular mechanics and molecular dynamics. Various branches of molecular simulations can be applied in physics, chemistry and material design. Crystal structures are visualized in Materials Studio modelling environment.
Molecular mechanics: molecular systems and crystal energy description on the base of empirical force fields. Bond energy in harmonic approximation. Inharmonic potential. Angles bond, torsion, inversion terms. Nonbond interactions: van der Walls, Coulomb, Hydrogen bond. Ewald summation.
Modeling strategy: Building of initial models, suitable energy approximation, choice of empirical force field, minimization strategy. The role of experiments in creation of modeling strategy and results verification. Infrared spectroscopy, X-ray diffraction as complementary methods in the complex structure analysis. The molecular simulation results interpretation. Practical examples of molecular modeling are applied on various structures and bond geometries.
Molecular dynamics: Deterministic molecular dynamics, Newton equation integration, stochastic methods (Monte Carlo) in molecular dynamics, statistic ensembles, temperature and pressure control, dynamics strategies.
Study of dynamic processes: sorption, diffusion, absorption, intercalation, phase transition.
Last update: doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D. (27.04.2023)
Úloha molekulárních simulací pro pochopení vztahů struktury a vlastností látek. Molekulární mechanika a molekulární dynamika. Oblasti využití molekulárních simulací ve fyzice, chemii a materiálovém výzkumu. Vizualizace krystalových struktur pomocí výkonné grafiky a programového prostředí Materials Studio, demonstrace vztahu struktury a vlastností na vybraných příkladech. Demonstrace vztahu typu struktur, jejich symetrie a tvaru difraktogramů. Molekulární mechanika: Popis energie molekulárních systémů a krystalů pomocí empirických silových polí. Vazební energie v harmonické aproximaci. Anharmonicita potenciálů. Úhlové vazební členy, deformace vazebních úhlů, torzní členy. Nevazební interakce, van der Waals - typy VDW potenciálů, vodíková vazba, elektrostatické interakce, metody výpočtu nábojů, Ewaldova sumace. Strategie modelování: Stavba a parametrizace modelů. Sestavení výrazu pro energii - nalezení vhodné aproximace. Základní typy silových polí pro molekulární simulace. Volba silových polí. Strategie minimalizace. Úloha experimentu při tvorbě strategie modelování a při ověření výsledků modelování, vibrační spektroskopie a rtg difrakce jako komplementární metody komplexní strukturní analýzy. Interpretace výsledků molekulárně mechanických simulací. Praktické příklady molekulárně mechanických simulací při studiu struktur a vazeb. Molekulární dynamika: Deterministická molekulární dynamika, integrace Newtonových rovnic, stochastické metody (Monte Carlo) v molekulární dynamice, generování statistických souborů, kontrola teploty v molekulární dynamice. Strategie molekulárně dynamických simulací. Studium dynamických dějů - sorpce, difuze, fázových přechodů.
