I F I S L i t o r a l

I F I S L i t o r a l Universidad Nacional del Litoral Facultad de Ingeniería Química 1. Nombre del curso: Introducción a la Simulación Computacional: Métodos Clásicos. (Segundo cuatrimestre, 2015) 2. Carácter del curso y carreras a las que está dirigido: Curso de posgrado para el Doctorado en Química, Doctorado en Física y optativa para Lic. en Química, Lic. en Materiales e Ing. de Materiales. 3. Docentes responsables: Dr. Sergio D. Dalosto y Dra. Silvia N. Tinte 4. Contacto: sergio.dalosto@santafe-conicet.gov.ar, silvia.tinte@santafe-conicet.gov.ar, Tel. 4559174 (ext. 2026) IFIS, Güemes 3450, Santa Fe 5. Objetivos generales del curso: Formar a los alumnos en el modelado de materiales y moléculas a través del uso de métodos computacionales basados en campos de fuerza clásicos. El curso usa teoría y aplicación de simulaciones computacionales atomísticas para modelar, entender y predecir propiedades de materiales reales. 6. Objetivos particulares: - Se profundizará en los fundamentos teóricos del uso de mecánica clásica para el modelado a nivel atomístico usando la técnica de dinámica molecular. - Se podrá énfasis en la obtención de propiedades macroscópicas a partir de resultados de simulaciones computacionales y su comparación con resultados experimentales. - Se modelarán materiales y moléculas sencillas, obteniendo su estructura más probable y su respuesta a diferentes condiciones, como por ejemplo aplicación de presión o de un campo eléctrico, o ante solventes como el agua. 1

6.1 Metodología y cronograma: Duración: 15 semanas durante el segundo cuatrimestre de 2015. Número total de horas de teoría: 30 horas. Número total de horas de laboratorio de computación: 55 horas. Número total de horas de coloquio: 5 horas. Se dictaran 2 clases semanales de 3 hs. de duración cada una. Cada clase se dividirá en dos partes: una parte de teoría y la segunda de laboratorio. La duración de cada parte dependerá de lo que esté programado para ese día. Típicamente 1 hora de teoría y 2 horas de laboratorio. 6.2 Equipamiento computacional y software disponible: Para la realización de los trabajos prácticos en computadoras, se cuenta con 10 PC montadas en cluster, cada una con un procesador Intel y 16 GB de memoria, y con el sistema operativo Linux instalado. Dichas máquinas están ubicadas en la sala No. 2 de informática en el primer piso de la Facultad de Ingeniería Química. El software a usar es de uso libre con registro de usuario a nombre de los docentes del curso. Además, los docentes del curso cuentan con un cluster de 100 cpus instalado en IFIS, disponible para completar cálculos si fuera necesario. 7. Programa Analítico I. Introducción a la mecánica estadística: Entropía y temperatura. Mecánica estadística clásica. Ergodicidad. II. Simulaciones de dinámica molecular. Dinámica molecular: Introducción. Esquema de un programa: inicialización, cálculo de fuerzas, integración de la ecuación de movimiento. Ecuaciones de movimiento. Algoritmo de Verlet, Leap- Frog. Experimentos computacionales. III. Dinámica molecular en diferentes ensambles Dinámica molecular a temperatura constante. Termostatos. Dinámica molecular a presión constante. Barostatos. Dinámica molecular a volumen constante. IV. Detalles técnicos: Condiciones periódicas de contorno (CPC). Distancia entre imágenes en CPC. Comienzo de una simulación a partir de información previa. Control del sistema. Llevar un sistema al equilibrio. V. Potencial Interatómico. Aproximación de Born-Oppenheimer. Diseño de potenciales. El problema con potenciales de dos cuerpos. Potenciales de muchos cuerpos para metales. Potenciales de muchos cuerpos para semiconductores. Fuerzas de largo rango. 2

VI. Diferentes modelos de campo de fuerza. Potencial intramolecular: stretching y bending. Potencial intermolecular de corto rango: Lennard-Jones. Potencial Coulombiano de largo rango. Aplicaciones. VII. Análisis de una simulación. Cantidades estadísticas para medir. Energía Potencial. Energía cinética. Energía Total. Temperatura. Desplazamiento cuadrático medio. Presión. Análisis dinámico. VIII. Códigos usados para modelar materiales y moléculas usando métodos de fuerza clásicos. NAMD (Amber y charmm), DL-POLY. IX. Construcción de un campo de fuerza para simulación de materiales o moléculas. Ajuste a partir de datos experimentales y de resultados teóricos de primeros principios. X. Aplicaciones. Ejemplo del agua. Simulación de moléculas. Simulaciones de materiales. Modelado de Nanomateriales. Temas complementarios de nivelación: Introducción al Linux. Comandos más usados. Editores de texto. Introducción al Fortran. Métodos de visualización y análisis de resultados. Programas: VMD, Molden, Maestro. Eligiendo el hardware y software adecuado. Qué computadora usar? 8. Bibliografía Básica - Understanding Molecular Simulation. D. Frenkel y B. Smit. Ed. Academic Press. (2002). (Biblioteca personal) - Computer simulation of liquids. M. P. Allen and D. J. Tildesley. Ed. Oxford Univ. Press. (1987) (Biblioteca personal) - The art of molecular dynamics simulations. D. C. Rapaport. Cambridge Univ. Press. (2004). (Biblioteca personal) Ercolessi, A Molecular Dynamics Primer (1997). http://www.fisica.uniud.it/~ercolessi/md/ - Solid State Physics. W. Ashcroft y N. D. Mermin. Sauders College Publishing, (1976). (Biblioteca Intec) 9. Profesor Responsable del Curso Sergio D. Dalosto, Dr. en Física, Profesor Adjunto D.S. U.N.L., Investigador Adjunto CONICET. Área de especialización: Simulación computacional clásica y ab-initio. Nanobiología, Nanomateriales, Biofísica computacional. 3

9.1 Profesores del curso Dr. Sergio D. Dalosto, Carga horaria: 12 horas semanales. Silvia N. Tinte, Dra. en Física, Profesor Adjunto D.S. U.N.L., Investigador Adjunto CONICET. Área de especialización: Simulación computacional clásica y ab-initio. Materiales Ferroeléctricos. Carga horaria: 12 horas semanales. 9.2 Ayudantes No hay 10. Conocimientos previos requeridos Licenciados en Física, Química o afines 11. Número de horas de actividad supervisada por el docente responsable del curso: Teoría: 30 horas Coloquio y/o práctica, en el aula de informática: 60 horas Total de horas del curso: 90 horas 12. Forma de Evaluación: Prácticas semanales con computadora. Dos exámenes parciales. Un examen final Un trabajo final por grupo, con presentación individual. 13. Número de exámenes parciales: Uno, escrito, 2 horas. Uno, escrito y oral, 1 hora. 14. Tipo y duración del examen final Escrito y Oral, 2 horas. 15. Duración del curso: 15 semanas 16. Cupo de alumnos: Hasta 8 alumnos. 4

Cronograma del curso Los días y horarios son solo indicativos y depende de la disponibilidad de los estudiantes. Nos interesa priorizar la asistencia de alumnos y por eso el horario se programara durante la primera reunión. Semana Lunes Jueves 1 17 21 Agosto Reunión de coordinación Martes 18 Agosto 9 hs. Sala 3 de informática, 1er piso FIQ. TP. Linux. Editores de texto. Fortran. 2 24 28 Agosto TP. Fortran. Visualizacion (VMD, 3 31 Agosto 4 Septiembre 4 7 11 Septiembre 5 14 18 Septiembre 6 21 25 Septiembre 7 28 Septiembre 2 Octubre 8 5-9 Octubre T. Repaso. Fortran Molden) T. Mecánica estadística TP. Mec. Estadística T. Esquema de un programa de dinámica molecular. T. Algoritmos de integración de la ec. de movimiento. Métodos de minimización de la energía. T. Ensambles. Simulación a Temperatura constante. Termostatos. Simulación a Presión constante. Barostatos. Simulaciones a volumen constante. T. Detalles técnicos. Condiciones periódicas, imágenes, termalización, equilibrio, producción de resultados. TP. Din. Molecular (ejercicios a resolver analíticamente) TP. Introducción al uso del código DL-Poly. Aplicación: Transición de fase a Presión constante Detalles técnicos: Inicialización de una simulación. TP. Introducción al uso del DL-Poly Aplicación: Transición de fase a Presión constante. Detalles técnicos: condiciones de contorno. Distancia entre imágenes. TP. Introducción al uso del código NAMD. Ejemplo: agua y otras moléculas pequeñas. Detalles técnicos: llevar un sistema al equilibrio y termalizarlo. Parcial I 9 12 16 Octubre T. Potenciales interatómicos. TP. Potencial intramolecular: stretching, bending. Potencial intermolecular: Lennard-Jones, Coulomb. Estudio de una molécula y un sólidos incluyendo diferentes potenciales. 10 19 23 Octubre T. Modelos de campo de fuerza TP. Estudio (mismo sistema de la semana previa) cambiando los 5

valores de los parámetros de una molécula y un sólido. 11 26 30 Octubre T. Análisis de simulaciones TP. Computo de energía total, energía cinética, temperatura, presión, y otras cantidades para 12 2-6 Noviembre T. Análisis de simulaciones (continuación) los casos de la semana anterior. TP. D. M. (Transición de fase a P=cte) 13 9 13 Noviembre 14 16 20 Noviembre 15 23 27 Noviembre Mes de Dicembre Examen Final T. Construcción de un campo de fuerza. Como obtener los parámetros a usar en el campo de fuerza. Comienzo de los trabajos de simulación que llevaran adelante cada grupo para su evaluación del curso. Por ejemplo: TP. Estudio de la interacción de agua y grafeno. TP. Proteínas en solución. TP. Transiciones de fase en sólidos. TP. Los participantes pueden elegir otros temas de su interés. T. Aplicaciones en Nanotecnología. TP. Transporte de agua en nanotubos. T. Aplicaciones en Biología y Nanobiología. Parcial II * Inicio Primer Cuatrimestre: 18 de Agosto de 2015 6