Insegnamento MOLECULAR QUANTUM CHEMISTRY
| Nome del corso di laurea | Scienze chimiche |
|---|---|
| Codice insegnamento | A001123 |
| Curriculum | Theoretical chemistry and computational modelling |
| Docente responsabile | Filippo De Angelis |
| Docenti |
|
| Ore |
|
| CFU | 9 |
| Regolamento | Coorte 2019 |
| Erogato | Erogato nel 2019/20 |
| 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 argomenti 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 | Slide delle lezioni forniti dal docente e appunti usati per l’effettuazione 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, Wiley, 1989. ISBN: 978-0-471-18710-3 R. G. Parr, W. Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press. |
| Obiettivi formativi | L'insegnamento si pone come approfondimento e sintesi dei percorsi formativi di chimica quantistica, inorganica, di stato solido, per la catalisi e per l’energia. Il corso intende fornire agli studenti un'introduzione all’utilizzo del calcolatore e di strumenti di calcolo e teorie avanzate alla risoluzione di problemi di interesse pratico nei campi della catalisi ed energia. L'obiettivo principale è mostrare come i metodi di simulazione e calcolo affrontati nel corso permettano lo studio modellistico di molecole e materiali di interesse in catalisi ed applicazioni energetiche, tramite l’utilizzo di programmi di calcolo ad ampia diffusione. Ci si pone anche un obiettivo predittivo rispetto a nuovi processi o materiali, in cui il calcolo e la simulazione possono servire in alternativa o complementarietà ad 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 dimensioni e potenza. Le principali abilità sviluppate acquisite durante il corso saranno: • essere in grado di affrontare criticamente problemi di interesse catalitico ed energetici tramite un 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 e 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, reattive ed elettroniche di nuove molecole e materiali per catalisi ed energia disegnati al calcolatore. |
| Prerequisiti | Al fine di saper affrontare il corso in maniera ottimale lo studente deve possedere le nozioni di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, nonché fondamenti di catalisi e di chimica per l’energia. |
| Metodi didattici | Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali abbinate ad esercitazioni pratiche al calcolatore su argomenti strategici con spunto dalla ricerca internazionale in catalisi ed energia. Le esercitazioni si svolgeranno presso il Laboratorio Computazionale di Fotovoltaico Ibrido/Organico di Perugia. |
| Altre informazioni | Si prega di visitare il sito web www.clhyo.org per attività di ricerca correlate al corso. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | Esame orale in cui vengono proposte due/tre domande per accertare la comprensione dei principali temi del corso. Allo studente è richiesto di aiutare la propria esposizione scrivendo ed illustrando eventuali schemi ed equazioni pertinenti. La durata del colloquio non supera normalmente i 20 minuti. |
| Programma esteso | I postulati della meccanica quantistica. Pacchetto d'onde e suo moto. Grandezze fisiche e loro operatori. Autovalori e autofunzioni. Spazio di Hilbert e principio variazionale. Relazioni di Heisenberg. Equazione di Schrödinger and evolution operator. Stati stazionari e risonanze. Rappresentazione di Heisenberg. Matrici densità. Teoria delle perturbazioni di Rayleigh-Schrödinger e di Brillouin-Wigner. Calcolo dei termini RSPT. Teoria delle perturbazioni per matrici. Hamiltoniano effettivo. Antisimmetria e spin. Algebra dei momenti angolari. Le autofunzioni di spin. Lo spin nel metodo Hartree-Fock. RHF. SCF diretto. Teoria delle perturbazioni Moller-Plesset. Errore di sovrapposizione dei set di base. Operatori di creazione e distruzione. Hamiltoniano in seconda quantizzazione, Operatori di campo e operatore densità. Teorema di Thouless e stabilità dell'Hartree-Fock. Il metodo RPA. Coupled-Cluster e Interazione di Configurazione. Size-consistency. Il metodo CAS-SCF. Le funzioni di Green. Funzione di Green a una particella e sua rappresentazione spettrale. Lo spettro di ionizzazione. Equazione di Dyson e metodi di approssimazione. Teoria del funzionale della densità. I teoremi di Hohenberg e Kohn. Il modello Thomas-Fermi. L'equazione di Kohn-Sham. Funzionali di scambio-correlazione. Hamiltoniano dipendente dal tempo. Sudden approximation. Rappresentazione intermedia. La serie perturbativa per l'operatore di evoluzione. Teoria della risposta lineare. Transizioni di stato. |