Modelování molekulárních struktur (FSI-TSM)

Akademický rok 2022/2023
Garant: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je seznámit studenty s teoretickým pozadím metod, které jsou využívané při modelování molekulárních struktur. Důraz je kladen na přehled použitých aproximací a jejich dopadu na kvalitu získaných výsledků. Student získá základní přehled o počítačové reprezentaci molekulárních systémů a o jejich charakterizaci pomocí kvantově-chemických a molekulárně mechanických výpočtů. Student si prakticky vyzkouší výpočet interakční energie, hledání reakční cesty jednoduché reakce a uskuteční krátkou molekulárně dynamickou simulaci..
Výstupy studia a kompetence:
Kurz usnadní studentům orientaci při výběru diplomového úkolu. Získání všeobecných znalostí v oblasti modelování chemických struktur jim umožní lépe pochopit nové technologické procesy aplikovatelné při vývoji moderních materiálů.
Prerekvizity:
Znalosti na úrovni absolvovaného předmětu Chemie (FSI-1CH) a absolvování předmětu Organická a makromolekulární chemie (FSI-TOM).

Vazby k jiným předmětům:
povinná korekvizita: CAD [3CD]
povinná korekvizita: Organická a makromolekulární chemie [TOM]
Obsah předmětu (anotace):
Předmět je zaměřen na získání základních znalostí v oblasti výpočetní chemie v rozsahu vhodném pro studium některých inženýrských oborů, např. pro nanotechnologie. Jeho orientace je výrazně aplikační. Student získá přehled o reprezentaci molekul v počítači a o tom, jaké údaje zadat počítačovým programům, aby výsledky modelování byly realistické. V závěru se studenti seznámí s některým uživatelsky příjemným programovým balíkem pro počítačové modelování molekul a molekulárních systémů.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Hodnocení studenta bude zohledňovat jednak jeho práci ve cvičení, jednak výsledky písemného testu a diskuze nad zadanými tématy při zkoušce.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 1 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Experiment versus molekulové modelování (úvod do molekulového modelování, validace a predikce, přehled experimentálních metod s jednomolekulárním rozlišením)
2. Kvantová mechanika (stručný úvod, Bornova-Oppenheimerova aproximace, koncept hyperploch potenciální energie, stručný přehled metod a programů)
3. Hyperplochy potenciální energie (význam, optimalizační metody, hledání lokálních a globálních minim a tranzitních stavů, vztah k termodynamickým veličinám)
4. Molekulová mechanika (silová pole, dalekodosahové interakce, modelování rozpouštědel, periodické okrajové podmínky, přehled silových polí)
5. Molekulová dynamika (vývoj systému v čase, pohybové rovnice, kontrola teploty a tlaku, vlastnosti systému, stručný přehled programů pro molekulovou dynamiku)
6. Speciální metody (Monte Carlo simulace, hrubozrné modely)
    Cvičení s počítačovou podporou Výpočty podpůrných teoretických příkladů a praktické demonstrace probíhají po celý semestr (např. výpočet interakční energie, studium mechanismu reakce, molekulárně dynamická simulace).
Literatura - základní:
1. Leach, A. Molecular Modelling: Principles and Applications, 2nd ed.; Prentice Hall: Harlow England; New York, 2001.
2. Cramer, C. J. Essentials Of Computational Chemistry: Theories And Models; John Wiley & Sons, 2004.
3. Manuály programů Gaussian (http://www.gaussian.com/) a AMBER (http://ambermd.org/)
Literatura - doporučená:
4. Manuály počítačových programů SPARTAN a PEGAS
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 3 Povinně volitelný 1 1 L
B-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 3 Povinně volitelný 1 2 L