Ingegneria delle Nanotecnologie - Nanotechnology Engineering

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

FIS/01

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

3

Distribuzione delle ore

30 classroom hours

Docenti

GIUSEPPE ZOLLO
GIUSEPPE ZOLLO

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-IND/06

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

3

Distribuzione delle ore

30 classroom hours

Docenti

ALBERTO GIACOMELLO
ALBERTO GIACOMELLO

L’obiettivo formativo del corso è di introdurre gli studenti alla teoria e alla pratica delle simulazioni atomistiche attraverso l’insegnamento dei vari aspetti di carattere multi-disciplinare inerenti. L’insegnamento riguarderà aspetti fondamentali dei modelli classici e approfondimenti dei principali approcci quantistici. Attività di laboratorio ed esercitazioni saranno focalizzati sulle problematiche numeriche connesse.

Risultati di apprendimento attesi:

Conoscenze e capacità di comprendere (I descrittore di Dublino)
Lo studente, al termine del Corso, sarà in possesso delle conoscenze di base riguardanti i principali metodi e modelli per studiare dal punto di vista modellistico e teorico le nano-strutture sulla base della loro composizione atomistica. Sarà quindi in grado di comprendere l'ambiente che lo circonda dal punto di vista della sua struttura, microscopica e macroscopica. Sarà inoltre consapevole delle molteplici relazioni con le altre materie e della necessità di un continuo aggiornamento sullo stato dell'arte, dovuto ai continui progressi della conoscenza e della tecnica.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate (descrittore II)
Alla fine del percorso di studio lo studente avrà sviluppato la capacità di comprendere la natura delle proprietà atomistiche delle nano-strutture e la loro relazione con quelle macroscopiche

Autonomia di giudizio (descrittore III)
Al termine del Corso lo studente dovrà possedere gli strumenti per valutare in maniera critica i limiti di applicazione delle varie tecniche e le possibili informazioni dasumibili dal loro uso.

Abilità comunicative (descrittore IV)
Al termine del Corso lo studente dovrà aver maturato una buona proprietà di linguaggio, specialmente per quanto attiene la terminologia scientifica specifica dell’insegnamento, in modo tale da saper comunicare in modo chiaro le proprie conoscenze e le proprie conclusioni a interlocutori esperti della materia e non.

Capacità di apprendere (descrittore V)
Al termine del Corso lo studente dovrà aver sviluppato una capacità di apprendimento tale da consentirgli di studiare ed approfondire gli aspetti atomistici delle nanostrutture. Inoltre le conoscenze e le abilità acquisite costituiranno una base solida su cui eventualmente approfondire ulteriormente la materia.

Conoscenze e capacità di comprendere (I descrittore di Dublino)
Lo studente, al termine del Corso, sarà in possesso delle conoscenze di base riguardanti i principali metodi e modelli per studiare dal punto di vista modellistico e teorico le nano-strutture sulla base della loro composizione atomistica. Sarà quindi in grado di comprendere l'ambiente che lo circonda dal punto di vista della sua struttura, microscopica e macroscopica. Sarà inoltre consapevole delle molteplici relazioni con le altre materie e della necessità di un continuo aggiornamento sullo stato dell'arte, dovuto ai continui progressi della conoscenza e della tecnica.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate (descrittore II)
Alla fine del percorso di studio lo studente avrà sviluppato la capacità di comprendere la natura delle proprietà atomistiche delle nano-strutture e la loro relazione con quelle macroscopiche

Autonomia di giudizio (descrittore III)
Al termine del Corso lo studente dovrà possedere gli strumenti per valutare in maniera critica i limiti di applicazione delle varie tecniche e le possibili informazioni dasumibili dal loro uso.

Abilità comunicative (descrittore IV)
Al termine del Corso lo studente dovrà aver maturato una buona proprietà di linguaggio, specialmente per quanto attiene la terminologia scientifica specifica dell’insegnamento, in modo tale da saper comunicare in modo chiaro le proprie conoscenze e le proprie conclusioni a interlocutori esperti della materia e non.

Capacità di apprendere (descrittore V)
Al termine del Corso lo studente dovrà aver sviluppato una capacità di apprendimento tale da consentirgli di studiare ed approfondire gli aspetti atomistici delle nanostrutture. Inoltre le conoscenze e le abilità acquisite costituiranno una base solida su cui eventualmente approfondire ulteriormente la materia.

E' obbligatorio aver frequentato e superato l’esame di "Molecular Dynamics and Atomistic Simulations " 6 CFU e superato l'esame.
E' obbligatorio aver frequentato il corso di "Principi di meccanica quantistica con elementi di struttura della Materia simulazioni atomistiche" (12 CFU) oppure “Modelli e Tecniche di Simulazione Atomistica" 6 CFU e superato l'esame.

Modulo: Atomistic Simulations Laboratory
Richiami di fondamenti del calcolo scientifico
Ambienti di Lavoro: Unix, Linux, MacOsX
Operatori alle differenze finite in schemi di dinamica molecolare e Monte Carlo
Algoritmi di Metropolis: implementazione pratica
Dinamica molecolare classica: implementazione pratica
Codici di Dinamica molecolare classica: uso finalizzato allo studio di materiali
Codici di dinamica molecolare classica: uso per sistemi biologici
Approcci tight binding semi-empirici
Calcoli da principi primi e teoria del funzionale densità: studio di alcuni sistemi ad uso didattico: cut-off energetico, campionamento della prima zona di Brillouin, pseudopotenziali, etc.



Modulo: Micro-Nano Fluidics Simulations Laboratory
Modulo II: Micro-Fluidics Simulation Laboratory
1 - Elementi di UNIX: gestione di una sessione di lavoro computazionale
1.a - Comandi base per la navigazione nel filesystem e gestione di file e directory, incluso editing di file
1.b - Alcune utility per la gestione dell'output di simulazioni: grep e awk
1.c - Esecuzione e gestione di un "job"

2 - Fluidodinamica alla nanoscala: simulazioni di liquidi e fluidi con descrizione del mezzo tramite particelle (atomi e molecole)
2.a - Introduzione ad un motore di dinamica per simulazioni di equilibrio e non equilibrio: LAMMPS
2.b - Preparazione di un campione di liquido o campione multifase (liquido/solido, liquido/vapore) in diverse condizioni termodinamiche
2.c - Simulazione del flusso di Couette e Poiseuille su parete liscia
2.d - Fluidi in contatto con pareti corrugate: angolo di contatto di una goccia (superidrofobia), bagnamento di una cavità ("wetting/recovery")

3 - Fluidodinamica alla microscala: teoria e simulazioni al continuo
3.a - Teoria dei flussi piani stazionari
3.b - Equazioni della fluidodinamica continua e accenni alla loro soluzione numerica
3.c - Introduzione di un motore di fluidodinamica computazionale: OpenFOAM
3.d - Preparazione di una simulazione
3.e - Flusso guidato da una parete scorrevole: simulazione e visualizzazione del flusso
3.f - Flusso di Poiseuille e condizioni al contorno di Navier

Modulo: Atomistic Simulations Laboratory
Materiale fornito dal docente


Modulo: Micro-Nano Fluidics Simulations Laboratory
MODULO II MICRO-NANO-FLUIDICS SIMULATIONS LABORATORY: appunti a cura del docente

Modulo: Atomistic Simulations Laboratory
N/D
Modulo: Micro-Nano Fluidics Simulations Laboratory
Mark Tuckerman, Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation, Oxford Graduate Texts, 1st Edition

L’insegnamento si compone di 5 laboratori da svolgere principalmente in classe. Inizialmente 3/30 h sono dedicate all’insegnamento dei principi del calcolo numerico, rimandando, tuttavia. l’approfondimento delle tecniche connesse allo svolgimento dei laboratori numerici.
Per quanto riguarda i laboratori tematici che coprono la gran parte del corso (27/30 h), essi verteranno su argomenti trattati dal punto di vista teorico nei corsi propedeutici. Per ognuno di questi macro-argomenti allo studente sarà proposto un compito di laboratorio che prevede attività di programmazione scientifica, validazione degli algoritmi, produzione dati e valutazione critica dei dati prodotto con discussione inerente i fenomeni fisici rappresentati

Per quanto non formalmente obbligatoria, la frequenza è fortemente consigliata in considerazione della complessità dei temi trattati.

La prova d'esame consiste in un colloquio orale durante il quale lo/la studente/ssa dovrà relazionare sui diversi laboratori affrontati, dimostrando di aver acquisito le conoscenze fondamentali della materia, le capacità di scrivere brevi pezzi di codice, produrre dati scientifici e analizzarli compiutamente.
In particolare la valutazione si basa su: verifica sull’apprendimento di nozioni teoriche (40%) (“Conoscenze e capacità di comprendere” e “Conoscenza e capacità di comprensione applicate”)
Verifica sulla proprietà di linguaggio e sulla chiarezza di esposizione (20%) (“Abilità comunicative”)
-Verifica sulla capacità di applicazione delle conoscenze acquisite al campo delle nanotecnologie (40%) (“Capacità di apprendere”)

1) discutere le azioni intraprese, le istruzioni introdotte e le scelte progettuali adottate nello sviluppo dei codici distribuiti al fine di ottenere i risultati richiesti nei vari laboratori effettuati
2) discutere dei dati prodotti per ricavare le isoterme di un gas reale mediante campionamento Metropolis montecarlo in relazione alle attese e al confronto con il comportamento di un gas ideale
3) Discutere dettagliatamente i risultati ottenuti dal modello LCAO applicato per ricavare i parametri elastici di varie fasi del silicio. Discutere ed illustrare altresì le proprietà elettroniche ottenute

Modulo: Atomistic Simulations Laboratory

• 1 h: Introduzione ad ambienti Linux: esercitazioni comandi da terminale2 h: Introduzione al calcolo scientifico: operatori alle differenze finite, strutture dati, istruzioni di controllo con particolare riferimento al linguaggio Fortran moderno.1h: esercitazione di laboratorio su un semplice programma Fortran (input-output, dichiarazioni dati, controllo etc..)
  • Testi di riferimento: materiale fornito dal docente


• 1h: introduzione al Laboratorio 1: isoterme di un sistema gassoso mediante Metropolis Monte 4h: laboratorio 1: implementazione di una routine per il campionamento Metropolis Montecarlo in un ensamble canonico di un sistema gassoso. Calcolo delle isoterme, produzione e analisi dei dati, confronto con dati sperimentali reperibili nella letteratura scientifica.   1h:  introduzione al Laboratorio 2: Dinamica Molecolare classica di un sistema gassoso 4h: Implementazione di un integratore a basso ordine per il campionamento deterministico secondo le equazioni canoniche del moto di un sistema gassoso in un ensable micro-canonico. Campionamento deterministico in un ensable canonico mediante un semplice schema di controllo delle velocità. Produzione dati, misura della capacità termica e della funzione di distribuzione radiale, analisi critica dei dati e confronto con la letteratura sperimentale. 
  • Testi di riferimento: materiale fornito dal docente


• 2h: Introduzione al laboratorio 3: potenziali classici multi-corpo per sistemi condensati4h: potenziali classici multi-corpo tipo Tersoff: implementazione della funzione di bond-order e simulazione di tre diverse fasi cristalline del Si. Calcolo delle curve di coesione e misura dei parametri elastici. Produzione e analisi critica dei dati. Trasferibilità del potenziale e confronto con i dati sperimentali disponibili nella letteratura scientifica. 
  • Testi di riferimento: materiale fornito dal docente


• 1h: introduzione al laboratorio 4: costruzione di un sistema atomistico complesso di interesse per la biofisica 3h: costruzione di un setup atomistico rappresentativo di un canale di membrana tetramerico mediante i tool disponibili nel pacchetto VMD. Protein Data Bank, costruzione di una membrana lipidica, rotazione e replica dei monemeri, idratazione. Equilibrazione del sistema e analisi della RMSD. 
  • Testi di riferimento: materiale fornito dal docente


• 2h: introduzione al laboratorio 5: tight binding semi-empirico e proprietà elettroniche4h: Modello tight-binding semi-empirico di un semiconduttore elementare nelle diverse fasi stabili e metastabili. Analisi della matrice Hamiltoniana e sua diagonalizzazione. Energia di band structure e potenziale repulsivo. Calcolo delle curve di coesione e misura del modulo di Young. Confronto con modelli classici e con dati sperimentali.  Analisi della densità degli stati e sue modifiche in in presenza di deformazione idrostatica tensile o compressiva. 
  • Testi di riferimento: materiale fornito dal docente

• 1 - Elementi di UNIX: gestione di una sessione di lavoro computazionale1.a - Comandi base per la navigazione nel filesystem e gestione di file e directory, incluso editing di file1.b - Alcune utility per la gestione dell'output di simulazioni: grep e awk1.c - Esecuzione e gestione di un "job"


• 2 - Fluidodinamica alla nanoscala: simulazioni di liquidi e fluidi con descrizione del mezzo tramite particelle (atomi e molecole)2.a - Introduzione ad un motore di dinamica per simulazioni di equilibrio e non equilibrio: LAMMPS2.b - Preparazione di un campione di liquido o campione multifase (liquido/solido, liquido/vapore) in diverse condizioni termodinamiche


• 2.c - Simulazione del flusso di Couette e Poiseuille su parete liscia


• 2.d - Fluidi in contatto con pareti corrugate: angolo di contatto di una goccia (superidrofobia), bagnamento di una cavità ("wetting/recovery")


• 3 - Fluidodinamica alla microscala: teoria e simulazioni al continuo3.a - Teoria dei flussi piani stazionari 3.b - Equazioni della fluidodinamica continua e accenni alla loro soluzione numerica3.c - Introduzione di un motore di fluidodinamica computazionale: OpenFOAM3.d - Preparazione di una simulazione3.e - Flusso guidato da una parete scorrevole: simulazione e visualizzazione del flusso


• 3.f - Flusso di Poiseuille e condizioni al contorno di Navier