Insegnamento APPROCCI TEORICI PER LO STUDIO DI MOLECOLE E MATERIALI INORGANICI
| Nome del corso di laurea | Scienze chimiche |
|---|---|
| Codice insegnamento | A001117 |
| Curriculum | Chimica inorganica per l'energia e la catalisi |
| Docente responsabile | Filippo De Angelis |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 9 |
| Regolamento | Coorte 2018 |
| Erogato | Erogato nel 2018/19 |
| Erogato altro regolamento | Informazioni sull'attività didattica |
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche |
| Settore | CHIM/03 |
| Anno | 1 |
| Periodo | Secondo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | Stato dell’arte e temi strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT). Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi. Simulazione di proprietà spettroscopiche. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati. |
| Testi di riferimento | Diapositive delle lezioni frontali fornite dal docente e materiale didattico utilizzato per lo svolgimento delle esercitazioni. I testi di riferimento sono: F. Jensen, "Introduction to Computational Chemistry", Wiley, 1999. R. Hoffmann, "Solids and Surfaces: A Chemist's View of Bonding in Extended Structures", VCH Publishers Inc., New York, 1988. R. G. Parr and W. Yang, "Density Functional Theory of Atoms and Molecules", Oxford University Press, New York, Oxford, 1989. |
| Obiettivi formativi | L'insegnamento si propone come approfondimento e sintesi di un percorso formativo durante il quale lo studente deve aver acquisito le conoscenze di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, oltre a conoscenze preliminari di catalisi e di chimica per l’energia. Il corso intende fornire agli studenti un'introduzione all’utilizzo del calcolatore, di strumenti di calcolo e di teorie avanzate per la risoluzione di problemi di interesse pratico negli ambiti della catalisi e della produzione e stoccaggio dell' energia. L'obiettivo principale è quello di mostrare come i metodi di simulazione e calcolo affrontati nel corso permettano lo studio di molecole e materiali di interesse in catalisi e nelle applicazioni energetiche, attraverso l’utilizzo di programmi di calcolo ad ampia diffusione. Le principali conoscenze acquisite dovranno consentire allo studente di svolgere indagini predittive rispetto alla progettazione di nuovi processi o materiali, in un approccio in cui il calcolo e la simulazione si presentano come strumenti alternativi e/o complementari rispetto alle indagini sperimentali. Un obiettivo collaterale del corso è anche quello di acquisire familiarità con ambienti di calcolo e computer non usuali, sia in termini di sistema operativo che di dimensioni e potenza dell'hardware. Le principali abilità sviluppate durante il corso saranno: capacita' di affrontare criticamente problemi di interesse catalitico ed energetico mediante l' approccio computazionale come importante strumento di ricerca di base ed applicata; conoscere le basi teoriche e le limitazioni dei metodi di calcolo più diffusi in chimica computazionale molecolare e nella scienza dei materiali; apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo (ADF, Gaussian e Quantum Espresso) per lo studio di sistemi molecolari e in fase condensata; valutare criticamente i risultati computazionali ottenuti in relazione ad informazioni sperimentali sul sistema di interesse; capacità di previsione delle proprietà strutturali ed elettroniche e della reattivita' di nuove molecole e materiali per la catalisi e l'energia progettati al calcolatore. |
| Prerequisiti | Al fine di saper affrontare il corso in maniera costruttiva lo studente deve possedere le nozioni di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, nonché di nozioni preliminari di catalisi e di chimica per l’energia. |
| Metodi didattici | Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali combinate con esercitazioni pratiche al calcolatore su temi strategici della ricerca internazionale nell'ambito della catalisi e dell' energia. Le esercitazioni si svolgeranno presso il Laboratorio Computazionale di Fotovoltaico Ibrido/Organico di Perugia. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame prevede la preparazione e la discussione di un progetto di ricerca che lo studente scegliera' autonomamente ispirandosi agli argomenti trattati a lezione. |
| Programma esteso | Stato dell’arte e temi strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia: splitting catalitico dell’acqua e produzione catalica di idrogeno; catalisi organometallica di rilevanza industriale; semiconduttori inorganici e catalisi di superficie; materiali e processi per fotovoltaico di nuova generazione. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT): la densità elettronica e gli orbitali molecolari; le equazioni di Kohn-Sham e i funzionali di scambio-correlazione; la struttura elettronica di molecole e la struttura a bande di solidi; dettagli computazionali: set di base, accuratezza numerica, effetti relativistici, effetti del solvente; la dinamica molecolare ab initio. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche: proprietà spettroscopiche, di stati eccitati e conducibilità elettrica; teoria dello stato di transizione e di trasferimento elettronico; proprietà calcolabili, complessità modellistica e loro accuratezza. Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi: definizione di superficie di energia potenziale ed ottimizzazione di geometrie molecolari e di solidi inorganici; calcolo delle frequenze vibrazionali e loro analisi per l’individuazione di stati di transizione e strutture di equilibrio; dinamica molecolare e calcolo di proprietà termodinamiche. Simulazione di proprietà spettroscopiche: simulazione di spettri NMR, EPR, Uv-vis, IR e Raman di molecole e solidi. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido: costruzione di input di programmi di calcolo ad ampia diffusione (ADF, Gaussian, Quantum Espresso); ottimizzazione del set-up computazionale (requisiti di memoria, CPU, spazio disco, tempi di esecuzione etc.); lettura dei file di output ed interpretazione dei risultati. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati: visualizzazione di strutture 3D di molecole e solidi (Molden, ADFView, Molekel, VMD); visualizzazione di orbitali molecolari e densità elettroniche (Molden, ADFView, Molekel, VMD); visualizzazione numerica dei risultati e interpolazione dei dati (Gnuplot, Mathematica, Xmgr, Excell, Origin). |