MULTI-SCALE MODELLING IN MATERIAL DESIGN
Academic year2023/24
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code1052I
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageEnglish
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| MULTI-SCALE MODELLING IN MATERIALS DESIGN | ING-IND/22 | LEZIONI | 48 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Il corso passerà in rassegna gli approcci computazionali fondamentali di modeling dei materiali nel quadro di un paradigma gerarchico multiscala: metodi dei principi primi, dinamica molecolare classica e reattiva, metodi "coarse-grained" e metodi del continuo. Verrà delineata la teoria di base alla base di ciascun approccio con un breve riepilogo dei principali codici (open source) disponibili per ciascun metodo computazionale descritto. Passando in rassegna gli ultimi progressi nella letteratura scientifica, verrà mostrato come la modellizzazione computazionale multiscala stia acquisendo un ruolo fondamentale nel campo della scienza computazionale dei materiali e come venga utilizzata per comprendere e progettare nuove strutture e nuovi materiali seguendo un approccio “bottom” -up” dalla risoluzione su scala atomistica a quella reale. Nella prospettiva di applicare la modellazione multiscala allo studio e alla progettazione di materiali per applicazioni tecnologiche con peculiari proprietà di risposta, l'attenzione del corso sarà posta sulle relazioni struttura/proprietà di base applicate a una varietà di materiali sia inorganici (nano-compositi) e materiali di origine biologica.
Knowledge
The course will review the fundamental computational approaches for materials modeling in the framework of a hierarchical multi-scale paradigm: first-principles methods, classical and reactive molecular dynamics, coarse-grained methods and continuum methods. The basic theory at the base of each approach will be outlined with a quick summary of the main (open-source) codes available for each described computational method. By reviewing the latest advances in the scientific literature, it will be shown how multi-scale computational modeling is gaining a pivotal role in the field of computational materials science and how it is used to understand and design new structures and new materials following a “bottom-up” approach from atomistic to real-world scale resolution. In the perspective of applying multi-scale modeling to the investigation and design of materials for technological applications with peculiar response properties, the attention of the course will be put on basic structure/property relationships applied to a variety of both inorganic (nano-composite) and bio-based materials.
Modalità di verifica delle conoscenze
- I "lavori di gruppo" verranno utilizzati per monitorare i progressi accademici. Gli incarichi potranno essere assegnati a singoli studenti o a gruppi a seconda del numero totale di studenti frequentanti il corso. Agli studenti verrà chiesto di presentare alla classe gli strumenti ed i risultati di un articolo di letteratura nel campo della modellazione computazionale dei materiali. Questo compito avrà un'importanza fondamentale nella valutazione finale degli studenti.
- Verranno programmati laboratori computazionali per verificare le competenze degli studenti nella gestione di codici numerici volti a simulare strutture e relazioni struttura/proprietà di sistemi molecolari e semplici modelli di materiali.
Assessment criteria of knowledge
- Group assignments will be used to monitor academic progress. The assignments could be assigned to individuals or groups depending on the total number of students attending the course. The student(s) will be asked to present the tools and the results of a literature paper in the field of the computational modeling of materials to the class. This task will have pivotal importance in the final evaluation of the students.
- Computational laboratories will be used to check the competencies of the students in handling numerical codes aimed at simulating structure and structure/properties relationships of molecular systems and simple models of materials.
Capacità
Al termine del corso lo studente:
- sarà in grado di valutare una possibile strategia di modellazione di un materiale rilevante per il proprio lavoro scegliendo l'approccio più adatto in un quadro gerarchico multiscala.
- sarà in grado di comprendere l'attività di modeling descritta in un articolo di letteratura potenzialmente rilevante per il suo lavoro
- sarà in grado di stabilire un dialogo fruttuoso con uno scienziato o un ingegnere che opera nel campo della scienza computazionale dei materiali per stabilire il possibile valore del modeling nello sviluppo di un materiale potenzialmente rilevante nella sua attività.
Skills
At the end of the course the student:
- will be able to evaluate a possible modeling strategy for a material of importance for her/his work by choosing the most suitable approach in a multi-scale hierarchical framework.
- will be able to understand the modeling activity of a literature paper of importance for her/his work
- will be able to establish a fruitful dialog with a scientist or engineering working in the field of computational materials science to establish the possible value of modeling in the development of a material of importance for her/his work.
Modalità di verifica delle capacità
- Capacità di reperire informazioni utili in letteratura riguardanti lo stato dell'arte in un campo di proprio interesse
- Capacità di individuare la strategia di modeling più idonea di un dato sistema/materiale sulla base delle informazioni raccolte in letteratura e nella collaborazione con un gruppo di ricerca sperimentale
Assessment criteria of skills
- Capacity in retrieving useful information in the literature concerning past advances in a field of her/his interest
- Capacity in individuating the most suitable modeling strategy of a given system/material on the basis of the information collected in the literature and in the collaboration with an experimental research group
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Conoscenze avanzate di fisica, chimica e matematica.
In particolare, sarà richiesta la conoscenza dei principi di base della meccanica quantistica e della termodinamica statica.
Prerequisites
Advanced knowledge of physics, chemistry and mathematics.
In particular, it will be requested knowledge of the basic principles of quantum mechanics and of statical thermodynamics.
Indicazioni metodologiche
Lezioni frontali + Lavori di gruppo + Laboratori computazionali.
Teaching methods
Frontal lessons + Group assignements + Computational laboratories.
Bibliografia e materiale didattico
"Molecular modelling: principles and applications", Andrew R. Leach, Pearson.
"Biomateriomics", Steven W. Cranford, Markus J. Buehler, Springer.
Articoli scientifici distribuiti dal docente durante il corso.
Bibliography
"Molecular modelling: principles and applications", Andrew R. Leach, Pearson.
"Biomateriomics", Steven W. Cranford, Markus J. Buehler, Springer.
Scientific papers distributed by the teacher during the course.
Modalità d'esame
L'esame consisterà in una prova orale.
Assessment methods
Students will be tested against the arguments of the course in an oral exam.
Updated: 23/10/2023 10:42
