Uvod v modeliranje materialov

Lastnosti materialov so posledica različnih pojavov na merilih od nanometra do metra in samo obravnava na več merilih lahko poda celovito razumevanje. Raziskovalci materialov morajo zato razumeti osnovne koncepte in tehnike iz različnih področij in te integralno predstavimo v tem predmetu. Računalnik nam omogoča učinkovito reševanje najrazličnejših problemov v znanosti in tehniki materialov. Poglavitni cilj predmeta Uvod v modeliranje materialov je predstaviti študentom temeljne koncepte, ki se uporabljajo pri simulaciji različnih materialov (kovine, polimeri, keramika in njihovi kompoziti) na različnih merilih (mehanika kontinuuma, statistična mehanika, molekularne in atomistične simulacije, kvantna mehanika). Učni načrt je oblikovan tako, da študente spozna z vsemi osnovnimi koncepti ter jih usposobi za izbiro pristopa in orodij za reševanje problemov lastnosti materialov, njihovega procesiranja in uporabe. Sposobni bodo reševanja preprostih problemov, povezanih z mikroskopskimi in makroskopskimi problemi mehanike trdnin in tekočin.

Potrebna so visokošolska znanja s prve stopnje iz matematike, fizike, kemije, materialov, numeričnih metod ter osnovna znanja uporabe računalnika ter vsaj enega od sodobnih operacijskih sistemov (Windows ali Linux).Predmet Uvod v modeliranje materialov podaja osnovno razumevanje pojavov in numeričnih postopkov, ki jih uporabljamo na širokem področju simulacij materialov od elektronske pa do makroskopske ravni. Poudarek je na formulacijah in modelih osnovnih fizikalnih pojavov na vsakem izmed meril, njihovi sklopitvi in kako z njimi simuliramo specifični material. Študentje pripravijo seminar, ki osvetli eno izmed obravnavanih vsebin.

Predmet Uvod v modeliranje materialov podaja osnovno razumevanje pojavov in numeričnih postopkov, ki jih uporabljamo na širokem področju simulacij materialov od elektronske pa do makroskopske ravni. Poudarek je na formulacijah in modelih osnovnih fizikalnih pojavov na vsakem izmed meril, njihovi sklopitvi in kako z njimi simuliramo specifični material. Študentje pripravijo seminar, ki osvetli eno izmed obravnavanih vsebin.

1. Uvod
   • Cilji in namen predmeta
   • Predstavitev učnega programa
   • Predstavitev učnih pripomočkov, virov in načina dela
   • Predstavitev obveznosti študentov
   • Napotki in sugestije za študij
2. Osnovni pojmi
   • Kontinuum
   • Ohranitvene enačbe in kontinuitetna enačba
   • Ohranitev gibalne in vrtilne količine
   • Ohranitev energije
   • Prenos sestavin
   • Entropija
   • Konstitutivne enačbe
   • Robni in začetni pogoji
3. Skaliranje in modelske poenostavitve
   • Osnovna skalirna analiza
4. Elektronski nivo
   • Osnove kvantne mehanike in valovna funkcija
   • Schrödingerjeva enačba in Hamiltonian
   • Večdelčni sistemi in sistemi s spinom
   • Opis elektronskih lastnosti sistema
5. Molekularna dinamika
   • Newtonska dinamika
   • Termostati (Andersen, Berendsen, Nose-Hoover)
   • Polje sil
   • Področja uporabe in omejitve
6. Kinetični Monte Carlo
   • Verjetnost in stohastični dogodki
   • Reakcije in redki dogodki
   • Teorija prehodnega stanja
7. Mikrokinetični modeli
   • Snovna bilanca
   • Reakcije v plinskih zmeseh
8. Nestisljivi tok kapljevin (računska dinamika fluidov)
   • Konstitutivne enačbe, robni pogoji.
   • Posebnosti numeričnega reševanja.
   • Tlačno-hitrostne sklopitve.
9. Praktično delo s simulacijskimi sistemi (seminarska naloga)
   • Gamess, QuantumEspresso
   • Zacros
   • Matlab, Python
   • OpenFOAM

Študenti bodo osvojili osnovne koncepte razumevanja in računalniškega modeliranja materialov na različnih merilih. Sposobni bodo izbrati ustrezno metodo za modeliranje posameznega sistema in poiskati orodja, ki so temu namenjena. Imeli bodo potrebna znanja za samostojno seznanitev s podrobnostmi računskih orodij in uporabo v realnih primerih.

Seminarska naloga z ustnim zagovorom, kjer se preveri razumevanje pristopa k reševanju tehničnega problema.

Pisni ali ustni izpit, kjer se ocenjuje znanje temeljnih konceptov ter zmožnost samostojnega reševanja na podlagi razvitih računalniških programov.

Pridr. prof. dr. Miha Grilc je višji znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu in vodja Skupine za pretvorbe biomase na Odseku za katalizo in reakcijsko inženirstvo. Njegove raziskave so usmerjene v pretvorbo biomase v gradnike z višjo dodano vrednostjo in opis teh pretvorb na več ravneh. Osredotoča se zlasti na lesno biomaso, kaskadno frakcionacijo in defunkcionalizacijo.
Pridr. prof. dr. Matej Huš je višji znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu in vodja Skupine za teoretično katalizo na Odseku za katalizo in reakcijsko inženirstvo. Njegove raziskave so usmerjene v fundamentalni opis kemijskih pretvorb na ravni kvantne mehanike, kinetičnega