C5303 Pokročilé modelování pevných látek

Přírodovědecká fakulta
podzim 2020
Rozsah
1/1/0. 2 kr. (plus ukončení). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D. (přednášející)
Ing. Monika Všianská, Ph.D. (přednášející)
Garance
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
St 12:00–13:50 C12/311
Předpoklady
Základní znalosti z vysokoškolské fyzikální chemie (termodynamika, rovnováha, fázové diagramy, chemická struktura, kvantová chemie - obsaženo v předmětech - C1020, C4660, C4020, C9920, C9930).
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Cílem předmětu je objasnit problematiku modelování vlastností pevných látek za využití principů kvantové-mechaniky a výpočetní termodynamiky (metoda CALPHAD). Vysvětleny budou teoretické základy kvantové mechaniky a termodynamiky, přičemž důraz bude kladen na aplikaci teoretických znalostí do samotného modelování. Praktická část kurzu je zaměřena na principy práce s jednotlivými programy, jejichž platnost si studenti ověří při samostatné práci s dostupným software. Studenti se rovněž naučí své výsledky prezentovat písemnou formou odpovídající standardům používaným v daném oboru.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:
- popsat a vysvětlit pojmy a principy kvantové mechaniky a termodynamiky související s modelováním pevných látek;
- identifikovat a vysvětlit souvislosti mezi pojmy tvořícími teoretický základ používaných metod a daty používanými jako vstupní parametry vlastních výpočtů ovlivňující kvalitu získaných výsledků;
- samostatně pracovat s dostupným sofware určeným pro počítačové modelování;
- navrhnout, vysvětlit a použít vhodnou metodu a pracovní postup pro modelování jednotlivých vlastností vybraného materiálu metodami kvantové mechaniky a / nebo výpočetní termodynamiky (metoda CALPHAD);
- prezentovat a diskutovat své výsledky písemnou formou odpovídající standardům používaným oboru;
Osnova
  • 1. Úvod: Principy modelování. Význam modelování v současné chemii pevných látek a materiálovém výzkumu. Souvislosti mezi experimentálním a teoretickým popisem fází.
  • 2. Krystalografie: krystalová struktura materiálu a její popis, symetrie, souvislosti mezi krystalovou strukturou a termodynamikou, uspořádanost, typy fází.
  • 3. Základní pojmy kvantové chemie (vlnová funkce, hustota pravděpodobnosti, Schrödingerova rovnice). Popis pevné látky z prvních principů (Born-Oppenheimerova aproximace, teorie funkcionálu hustoty, funkcionál výměnné a korelační energie, Blochův teorém). Metody výpočtů elektronové struktury a jejich přehled (APW, OPW, LCAO, KKR, LMTO, LAPW, pseudopotenciály).
  • 4. Úvod do prostředí Linux a do použití podpůrných programů (SSH, vi editor, …) používaných při kvantově-mechanických výpočtech v tomto prostředí.
  • 5. Kvantově-mechanické výpočty I (parametry ovlivňující správnost výpočtu - vhodnost metody, síť k-bodů, cutt-off energie). Praktická aplikace získaných vědomostí (vstupní soubory a výpočet).
  • 6. Kvantově-mechanické výpočty II (čistý prvek v základním stavu: energie, strukturní a mechanické vlastnosti, pásová struktura, hustoty stavů, magnetismus). Praktická aplikace získaných vědomostí (výstupní soubory a zpracování výsledků).
  • 7. Kvantově-mechanické výpočty III (modelování teoretické pevnosti, bezdifúzní fázové transformace, tvorné energie, polymorfismus. Poruchy mřížek. Difúzní bariery, povrchy, rozhraní, kompozity). Praktická aplikace získaných vědomostí.
  • 8. Základní pojmy výpočetní termodynamiky (zákony termodynamiky, rovnováha, metoda CALPHAD, fázové diagramy).
  • 9. Modely fází a jejich vztah ke krystalografické struktuře, Gibbsova energie fáze a její závislost na teplotě, tlaku a složení.
  • 10. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD I (vstupní data pro semiempirické modelování, termodynamické databáze) Praktická aplikace získaných vědomostí (vstupní soubory).
  • 11. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD II (hledání termodynamické rovnováhy, minimalizace Gibbsových energií) Praktická aplikace získaných vědomostí (výpočet fázového diagramu).
  • 12. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD III (termodynamický assessment, optimalizace termodynamických dat). Praktická aplikace získaných vědomostí (výpočet fázového diagramu).
  • 13. Prezentace získaných výsledků, diskuze použitých metod a přístupů.
Literatura
  • KITTEL, Charles. Úvod do fyziky pevných látek. 1. vyd. Praha: Academia, 1985, 598 s. URL info
  • CALLISTER, William D. Fundamentals of materials science and engineering : an interactive e.text. 5th ed. New York: John Wiley & Sons, 2001, xxi, 524 s. ISBN 0-471-39551-X. info
  • GIUSTINO, Feliciano. Materials modelling using density functional theory : properties and predictions. Oxford: Oxford University Press, 2014, xiv, 286. ISBN 9780199662432. info
  • JENSEN, Frank. Introduction to computational chemistry. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons, 2007, xx, 599. ISBN 9780470011874. info
  • LEE, June Gunn. Computational materials science : an introduction. Boca Raton: CRC Press, 2012, xxi, 280. ISBN 9781439836163. info
  • LUKAS, Hans Leo, Suzana G. FRIES a Bo SUNDMAN. Computational thermodynamics : the Calphad method. Cambridge: Cambridge University Press, 2007, x, 313. ISBN 9780521868112. info
Výukové metody
přednášky, diskuze, práce na počítači, domácí práce

V případě, kdy opatření týkající se COVID-19 neumožní kontaktní výuku, bude způsob výuky upraven následovně: výuka bude vedena online v prostředí programu MS Teams nebo prostřednictvím nahraných přednášek (slovně komentovaných elektronických prezentací). Přednášky budou v případě zájmu doplněny o online konzultace.
Metody hodnocení
Hodnocení proběhne formou posouzení kvality odevzdané zprávy a diskuzí nad získanými výsledky. Hodnocena bude:
(1) kvalita provedení zadaných výpočtů;
(2) úroveň odevzdané zprávy;
(3) míra porozumění teoretickým základům a praktickým aspektům prováděných výpočtů.
Hodnocení může být realizováno jednou ze dvou forem: 1. prezenční ústní nebo 2. distanční ústní prostřednictvím MS Teams.
Navazující předměty
Další komentáře
Studijní materiály
Poznámka k ukončení předmětu: Pro zdárné ukončení předmětu je nutné provést zadané výpočty a vypracovat o nich zprávu.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.