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CHIMICA COMPUTAZIONALE

 

COMPUTATIONAL CHEMISTRY

 

Anno accademico 2017/2018

Codice attività didattica
CHI0056
Docente
Prof. Bartolomeo Civalleri (Titolare del corso)
Anno
1° anno, 2° anno
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Orale
 
 

Obiettivi formativi

  • Italiano
  • English

Il corso si propone di fornire agli studenti un'introduzione al linguaggio e una panoramica degli strumenti di calcolo classici (meccanica molecolare) e quantistici (ab initio) utilizzati nella moderna chimica computazionale molecolare. L'obiettivo principale è mostrare come tali metodi, implementati in programmi di calcolo di uso comune, permettano lo studio modellistico di molecole di interesse.

 

Risultati dell'apprendimento attesi

  • Italiano
  • English

L'allievo dovrà essere in grado di:

  • conoscere che cosa si intende con approccio computazionale in chimica e come questo stia diventando uno strumento importante nella ricerca scientifica e un utile complemento all'attività sperimentale;
  • conoscere le basi teoriche dei metodi di calcolo più comunemente usati nella chimica computazionale;
  • apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo, in particolare del programma Gaussian, per lo studio di sistemi molecolari

 

Programma

  • Italiano
  • English

Lezioni frontali

Definizione e significato di chimica computazionale. Accenni alla simulazione multiscala

Definizione di superficie di energia potenziale. Ottimizzazione di geometria e calcolo delle frequenze vibrazionali

Metodi della meccanica molecolare: definizioni, campo di forza, esempio di campo di forza, usi, risultati

Richiami di meccanica quantistica: notazione bra-ket, postulati, stati stazionari, unità atomiche

Metodi approssimati in meccanica quantistica: principio variazionale e metodo variazionale lineare, metodo perturbativo

Discussione dell'Hamiltoniano multielettronico e principali approssimazioni introdotte: approssimazione di Born-Oppenheimer, approssimazione spin-orbitale.

Principio di antisimmetria.Prodotto di Hartree e determinante di Slater. Determinante di Slater come autofunzione di Sz e S2.

Il metodo di Hartree-Fock: espressione dell'energia e equazioni. Teorema di Koopman Equazioni di Roothaan e ciclo SCF. Definizione di set base.

Set base gaussiani: forma, classificazione ed esempi. Effective Core Pseudopotential (ECP) e BSSE Proprietà mono-elettroniche (densità di carica, potenziale elettrostatico, .)

Il problema della correlazione elettronica. Breve panoramica dei metodi post-Hartree-Fock: variazionali (interazione di configurazioni, CI), perturbativi (metodo Møller-Plesset) e Coupled-Cluster (CC).

Introduzione alla teoria del funzionale della densità (DFT) e ai metodi derivati: teoremi di Hohenber-Kohn, formalismo e equazioni di Kohn-Sham, funzionale di scambio-correlazione e sue approssimazioni

Confronto e valutazione dei principali metodi di calcolo ab-initio attualmente disponibili

Laboratorio

Modulo 1 - Introduzione all'uso del programma di calcolo Gaussian. Preparazione dell'input e discussione dell'output. Uso di strumenti di grafica molecolare per l'analisi dell'output. Definizione della geometria di una molecola attraverso la costruzione della matrice Z ed uso di costruttori molecolari

Modulo 2 - Analisi conformazionale e calcolo di barriere di rotazione con la meccanica molecolare: da molecole semplici a molecole di interesse farmacologico

Modulo 3 - Individuazione dei punti stazionari sulla PES della molecola di urea e loro classificazione. Analisi della struttura elettronica della molecola di urea (orbital molecolari, densità elettronica, potenziale elettrostatico

Modulo 4 - Studio del dimero dell'acqua. Analisi del cambiamento delle proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali della molecola isolata dopo la formazione del dimero. Confronto tra metodi di calcolo e dati sperimentali

 

Modalità di insegnamento

  • Italiano
  • English

La metodologia didattica impiegata consiste quindi in:

a)         32 ore di lezioni in aula

b)         32 ore di esercitazioni nel laboratorio informatico

Le lezioni in aula forniscono le basi teoriche dei metodi di calcolo della meccanica molecolare e quantistici ab initio partendo dai fondamenti della meccanica quantistica e introducendo progressivamente metodi sempre più sofisticati per la risoluzione dell'equazione di Schrödinger. I limiti, i meriti e i costi computazionali dei vari metodi vengono anche discussi.

In parallelo, le esercitazioni offrono la possibilità di applicare i metodi introdotti a lezione allo studio delle proprietà chimico-fisiche di alcune semplici molecole e addotti molecolari. In particolare, viene fatto uso di uno dei programmi di calcolo più comunemente impiegati nei laboratori di ricerca: Gaussian. Gli esempi presentati permettono allo studente di verificare come sia possibile, usando opportuni software e gli odierni computer da tavolo, condurre veri e propri esperimenti al calcolatore. Durante il laboratorio gli studenti dovranno preparare delle schede riassuntive di commento ai moduli esercitativi proposti.

 

Modalità di verifica dell'apprendimento

  • Italiano
  • English

Esame Orale sugli argomenti trattati a lezione. Alla fine del laboratorio gli studenti dovranno preparare una breve relazione sulle esecitazioni svolte.

 

Testi consigliati e bibliografia

  • Italiano
  • English

I testi base consigliati per il corso sono: appunti delle lezioni e materiale usato nelle esercitazioni (forniti dal docente)

Il principale testo di riferimento è: F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999. In particolare, può essere di interesse consultare i capitoli: 1-6, 9 e 11

Altri utili riferimenti sono:

  • C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry (Theories and Models), Wiley, 2002 
  • Levine, Quantum Chemistry, Prentice Hall, 2000, 2nd edition 
  • G. H. Grant, W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford University Press, 1995 
  • Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (Introduction to Advanced Electronic Structure Theory), McGraw-Hill, 1985

 
Ultimo aggiornamento: 15/11/2017 09:49
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