Izbrana poglavja iz večnivojskega modeliranja 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 Izbrana poglavja iz večnivojskega modeliranja materialov je predstaviti študentom poglobljene 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 se študentje posvetijo metodam, ki so ključne za njihovo raziskovalno delo. Sposobni bodo rešitve realnih problemov, povezanih z mikroskopskimi in makroskopskimi problemi mehanike trdnin in tekočin. Poudarek je na izdelavi večnivojskega modela, ki združuje vsaj dve stopnji modeliranja.

Potrebno je znanje iz predmeta Uvod v modeliranje materialov.

Predmet Izbrana poglavja iz večnivojskega modeliranja materialov podaja poglobljeno znanje, ki nadgrajuje predmet Uvod v modeliranje materialov. Poudarek je na razumevanju znanstvenega ozadja metod, sklopitvi metod in njihovi uporabi za reševanje realnih problemov, s katerimi se študentje srečujejo pri raziskovalnem delu. Študentje se bodo podrobneje seznanili zgolj s poglavji, ki so relevantna za njihovo raziskovalno delo.

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. Kvantna mehanika pri opisu materialov
   • Teorija gostotnega funkcionala
   • Opis molekul
   • Opis periodičnih sistemov
   • Konstrukcija površin
   • Primerjava funkcionalov
   • Razlike v obravnavi kovin, polprevodnikov in izolatorjev
   • Elektronske lastnosti materialov
   • Kemijske reakcije in iskanje prehodnih stanj
3. Teorija prehodnega stanja
   • Hitrost kemijske reakcije iz prvih principov
   • Arrheniusova enačba
   • Eyringova enačba
   • Hitrost neaktiviranih reakcij
   • Difuzija na površini
4. Molekularna dinamika
   • Postavitev sistema
   • Ekvilibracija sistema
   • Klasična molekulska dinamika
   • Analiza podatkov
   • Ab initio molekulska dinamika
   • Opis reakcij z reaktivnimi polji
5. Kinetični Monte Carlo
   • Topologija površinskih mrež
   • Elementarni koraki in karakteristični časi
   • Koraki reševanja KMC
   • Periodične površine in končni nanodelci
   • Analiza podatkov
6. Mikrokinetični modeli
   • Vrste reaktorjev
   • Pristopi za reševanje sistemov diferencialnih enačb
   • Občutljivostna analiza
   • Reakcije, ki določajo hitrost (RDS)
   • Togi sistemi
   • Knjižnice solverjev
   • Prenos snovi, difuzija, pomešanje
   • Večfazni sistemi
7. Računska dinamika fluidov (CFD)
   • Priprava računske domene
   • Vrste geometrij
   • Nestisljive in stisljive tekočine
   • Stacionarna in nestacionarna stanja
   • Turbulentni in laminarni tokovi
   • Sklopitev s kinetiko pretvorb
8. Sklopitve metod v večnivojskih modelih
9. Izdelava in uporaba večnivojskega modela z več orodji (seminarska naloga)
   • Gamess, QuantumEspresso
   • Zacros
   • Matlab, Python
   • OpenFOAM
   • Itd.

Študenti bodo osvojili poglobljene koncepte modeliranja materialov in računalniškega modeliranja materialov na različnih merilih. Sposobni bodo samostojnega konceptualnega razvoja ustreznega numeričnega modela in uporabe sodobnih simulacijskih sistemov. Sposobni bodo računalniških optimizacij snovnih lastnosti in procesiranja materialov.

Seminarska naloga z ustnim zagovorom, kjer se preveri zmožnost rešitve realnega raziskovalnega problema z večnivojskim modelom.

Pisni ali ustni izpit, kjer se ocenjuje 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 Monte Carla in mikrokinetičnega opisa v kontinuumu. Osredotoča se zlasti na kemijo malih molekul, to je valorizacijo CO2, pridobivanje amonijaka, aktivacijo ogljikovodikov in epoksidacijo.

Izbrane objave

1. HUŠ, Matej, GRILC, Miha, TERŽAN, Janvit, GYERGYEK, Sašo, LIKOZAR, Blaž, HELLMAN, Anders. Going beyond silver in ethylene epoxidation with first-principles catalyst screening. Angewandte Chemie : international edition. [Online ed.]. Aug. 2023, vol. 62, iss. 31, [article no.] e202305804, str. 1-10, ilustr. ISSN 1521-3773. DOI: 10.1002/anie.202305804. [COBISS.SI-ID 154010371]
2. KOVAČIČ, Žan, LIKOZAR, Blaž, HUŠ, Matej. Ab initio modelling of photocatalytic CO2 reduction reactions over Cu/TiO2 semiconductors including the electronic excitation effects. Chemical engineering journal. [Online ed.]. 1 Apr. 2024, vol. 485, [article no.] 149894, str. 1-13, ilustr. ISSN 1873-3212. DOI: 10.1016/j.cej.2024.149894. [COBISS.SI-ID 188821763]
3. JANKOVIČ, Dominik, MIHELAČ, Mateja, TESTEN, Žan, LIKOZAR, Blaž, HUŠ, Matej, GAZVODA, Martin. Mechanistically guided development of homogenous nickel catalysis through rapid computational catalyst screening. Journal of catalysis. Jan. 2024, vol. 429, [article no.] 115265, str. 1-11, ilustr. ISSN 0021-9517. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021951723005109, [COBISS.SI-ID 179512067]
4. HOČEVAR, Brigita, PRAŠNIKAR, Anže, HUŠ, Matej, GRILC, Miha, LIKOZAR, Blaž. H2−free Re-based catalytic dehydroxylation of aldaric acid to muconic and adipic acid esters. Angewandte Chemie : International edition. [Print ed.]. 18 Jan. 2021, vol. 60, iss. 3, str. 1244-1253. ISSN 1433-7851. [COBISS.SI-ID 31739907]
5. HUŠ, Matej, GRILC, Miha, PAVLIŠIČ, Andraž, LIKOZAR, Blaž, HELLMAN, Anders. Multiscale modelling from quantum level to reactor scale : an example of ethylene epoxidation on silver catalysts. Catalysis today. [Print ed.]. 1 Nov. 2019, vol. 338, str. 128-140. [COBISS.SI-ID 6626074
6. ŠIVEC, Rok, GRILC, Miha, HUŠ, Matej, LIKOZAR, Blaž. Multiscale modeling of (hemi)cellulose hydrolysis and cascade hydrotreatment of 5-hydroxymethylfurfural, furfural, and levulinic acid. Industrial & engineering chemistry research. [Print ed.]. 4 Sep. 2019, vol. 58, iss. 35, str. 16018-16032, ilustr. ISSN 0888-5885. [COBISS.SI-ID 6621210]