Моделювання фізичних процесів
Спеціальність: Прикладна фізика та наноматеріали
Код дисципліни: 8.105.00.M.025
Кількість кредитів: 3.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: д.ф.-м.н. Брик Т.М.
Семестр: 4 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Завдання навчальної дисципліни
Внаслідок вивчення навчальної дисципліни аспірант повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання :
1. Знати принципові відмінності та межі застосування методів МонтеКарло, класичної та першопринципної молекулярної динаміки.
2. Знати основні алгоритми атомістичного моделювання та вміти застосовувати різні ансамблі при заданих умовах моделювання.
3. Знати основні концептуальні підходи до застосовності функціоналу електронної густини та застосовності цього підходу в комп'ютерному моделюванні з перших принципів.
4. Знати фізичні властивості, які можна отримати з реальних експериментів та з комп'ютерного атомістичного моделювання.
5. Вміти розробляти комп'ютерні програми для обчислень фізичних властивостей систем в різних агрегатних станах з траєкторій частинок отриманих з атомістичного моделювання.
6. Вміти оцінювати розмірні ефекти та їх застосовність до порівняння з макроскопічними системами.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у аспірантів необхідних компетентностей:
Загальні компетентності:
1) глибинні знання сучасних представлень в галузі моделювання, фізики та практичного застосування результатів моделювання;
2) критичний аналіз, оцінка і синтез нових ідей в галузі комп'ютерного моделювання;
3) уміння ефективно спілкуватися з широкою науковою спільнотою з актуальних питань розрахунку електронної структури та атомістичної динаміки;
4) уміння практичного застосування принципів і концепцій сучасного комп'ютерного моделювання;
5) ініціювання оригінальних дослідницько-інноваційних проектів галузі фізики і фізичної хімії рідин та м'якої речовини.
Фахові компетентності:
1) знання про сучасні тенденції розвитку і найбільш важливі нові наукові досягнення в області статистичної фізики, електронної теорії хімічного зв'язку, а також суміжних областях;
2) систематичні знання і розуміння сучасних наукових теорій і методів, та вміння їх ефективно застосовувати для виконання комп'ютерного моделювання на атомістичному рівні;
3) здатність ефективно застосовувати методи аналізу, математичне моделювання, виконувати фізичні та математичні експерименти при проведенні наукових досліджень в галузі статистичної фізики та фізики твердого тіла;
4) здатність інтегрувати знання з інших дисциплін, застосовувати системний підхід та враховувати нетехнічні аспекти при моделюванні складних молекулярних систем;
5) здатність розробляти та реалізовувати проекти, включаючи власні дослідження, які дають можливість переосмислювати наявні чи створювати нові знання в галузі фізики рідин та фізикм м'якої речовини;
6) здатність аргументувати вибір методу розв’язування спеціалізованої задачі, критично оцінювати отримані результати та захищати прийняті рішення.
Результати навчання: 1. Знати принципові відмінності та межі застосування методів Монте-Карло, класичної та першопринципної молекулярної динаміки.
2. Знати основні алгоритми атомістичного моделювання та вміти застосовувати різні ансамблі при заданих умовах моделювання.
3. Знати основні концептуальні підходи до застосовності функціоналу електронної густини та застосовності цього підходу в комп'ютерному моделюванні з перших принципів.
4. Знати фізичні властивості, які можна отримати з реальних експериментів та з комп'ютерного атомістичного моделювання.
5. Вміти розробляти комп'ютерні програми для обчислень фізичних властивостей систем в різних агрегатних станах з траєкторій частинок отриманих з атомістичного моделювання.
6. Вміти оцінювати розмірні ефекти та їх застосовність до порівняння з макроскопічними системами.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни:
Статистична фізика і термодинаміка
Фізика твердого тіла
Супутні і наступні навчальні дисципліни:
Спеціальні розділи хімії
Фізика конденсованого стану і квантово-розмірних систем
Короткий зміст навчальної програми: Курс комп'ютерного моделювання фізичних процесів можна умовно розділити на три частини. В першій частині дається розгорнута інформація та основні алгоритми методу молекулярної динаміки. Послідовно викладені процедури отримання ефективних взаємодій між атомістичними частинками, які є основою для проведення моделювання. Детально обговорюються алгоритми молекулярної динаміки, які спрямовані на виконання законів збереження для простих та складних молекулярних систем. Важливим розділом є методика розрахунку різниць вільних енергій між двома станами системи, що дозволяє прогнозувати поведінку складних систем з точки зору пошуку мінімуму вільної енергії. Друга частина курсу полягає у детальному вивченні методу функціоналу густини та алгоритмів розрахунку електронних спектрів в рамках цього формалізму. Важливим розділом тут є детальне вивчення електрон-іонних псевдопотенціалів та методів їх генерування. Псевдопотенціали як вхідні взаємодії є основою для подальшого розуміння методу першопринципної молекулярної динаміки, який розглядється в третій частині курсу. Аспіранти будуть мати нагоду ознайомитись з найбільш популярними сучасними методиками першопринципного моделювання на основі методу Кар-Паррінелло та методу мінімізації електронних ступенів вільності. Практичні вміння роботи з пакетами програм для першопринципного моделювання повинні закріпити теоретичний матеріал.
Опис: Курс моделювання фізичних процесів можна умовно розділити на дві частини. В першій частині дається розгорнута інформація та основні принципи моделювання методом молекулярної динаміки. Послідовно викладені процедури отримання ефективних взаємодій між атомістичними частинками, які є основою для проведення моделювання. Детально обговорюються алгоритми молекулярної динаміки, які спрямовані на виконання законів збереження для простих та складних молекулярних систем. Важливим розділом є методика розрахунку різниць вільних енергій між двома станами системи, що дозволяє прогнозувати поведінку складних систем з точки зору пошуку мінімуму вільної енергії. Друга частина курсу полягає у детальному вивченні методу функціоналу густини та алгоритмів розрахунку електронних спектрів в рамках цього формалізму. Важливим розділом тут є детальне вивчення електрон-іонних псевдопотенціалів та методів їх генерування. Псевдопотенціали як вхідні взаємодії є основою для подальшого розуміння методу першопринципної молекулярної динаміки, який розглядється в третій частині курсу. Аспіранти будуть мати нагоду ознайомитись з найбільш популярними сучасними методиками першопринципного моделювання на основі методу Кар-Паррінелло та методу мінімізації електронних ступенів вільності. Практичні вміння роботи з пакетами програм для першопринципного моделювання повинні закріпити теоретичний матеріал.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль (40%): усне опитування, презентації на семінарах, контрольні роботи, індивідуальні письмові роботи. Випускний тест (60%): іспит.
Критерії оцінювання результатів навчання: Порядок та критерії виставляння балів та оцінок:
Теоретичні питання мають на меті перевірку навичок студентів щодо розуміння теоретичного матеріалу. Відповідь по можливості має бути повною та аргументованою.
• Максимальну кількість балів (мкб) за питання отримує студент, що повністю висвітлив питання;
• 70-90 % від мкб – питання в цілому висвітлене, але є незначні неточності або інші недоліки;
• 50-70 % від мкб – відповідь на питання дано не в повному обсязі і/або є суттєві помилки;
• 30-50 % від мкб– зроблена спроба відповісти на питання, але зроблено грубі помилки і/або питання в цілому не висвітлене. Такої ж оцінки заслуговуватиме студент, якщо він робить неправильні висновки на основі логічних припущень, що містять правильні міркування;
• 10-30 % від мкб– зроблена невдала спроба відповісти на питання, лише окремі міркування і /або формули є вірними;
• 0 балів – жодна з записаних формул не має стосунку до даного питання, всі міркування є помилковими, або цілковито відсутні.
У підсумку виставляються оцінки за 100-бальною шкалою за наступним принципом:
Відмінно – 88 … 100 балів.
Добре – 71 … 87 балів.
Задовільно – 50 … 70 балів.
Незадовільно – 0 … 49 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Х.Гулд, Я.Тобочник. Компьютерное моделирование в физике. В 2-х томах. “Мир”, М., 1990
2. Д.Хеерман. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. “Наука”, М., 1990
3. D.Frenkel, B.Smit. Understanding Molecular Simulation. Academic Press. SanDiego, 1996
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).