Obliczenia naukowe w naukach przyrodniczych

obowiązkowe

Brak.

mieszany: w sali i zdalnie

W pierwszej części wykładu umówione są przybliżenia prowadzące od pełnego kwantowego opisu cząsteczki chemicznej jako układu jąder atomowych i elektronów do opisu przybliżonego umożliwiającego praktyczne obliczenia kwantowe dla elektronowych stanów stacjonarnych oraz klasyczną dynamikę dla ruch jąder atomowych. W drugiej części wyprowadzona zostaje metoda Hartee-Focka oraz poprawki uwzględniające efekty korelacyjne dla elektronów. W trzeciej części umówione są metody przybliżone pozwalające uwzględniać wpływ otoczenia, w szczególności efekty elektrostatyczne w roztworach w obliczeniach elektronowych dla cząsteczek chemicznych. W części praktycznej zostanie wykorzystany program Gaussian do przykładowych obliczeń elektronowych dla małych cząsteczek i prostych reakcji chemicznych.

Tematyka zajęć:

1. Wstęp do modelowania molekularnego, wyk. 2 godz.

2. Postulaty mechaniki kwantowej, wyk. 2 godz.

3. Stacjonarne, niezależne od czasu równanie Schrodingera. Rozwiązania dla atom wodoru, wyk. 2 godz.

4. Podstawy opisu elektronów w cząsteczkach, wyk. 2 godz.

- Założenie nieruchomych jąder.

- Funkcja falowa elektronów

- Równanie Schroedingera

- Elektronowe stany stacjonarne

- Powierzchnia Borna-Oppenheimera

5. Obliczenia elektronowe ab-initio, wyk. 2 godz.

- Atom wodoru i bazy orbitali atomowych

- Orbitale molekularne

- Przybliżenie 1-elektronowe

- Równania Hartee-Focka

- Poprawki na korelacje elektronów

6. Ruch jąder atomowych, wyk. 2 godz.

- Przybliżenie Borna-Oppenheimera

- Kwantowy opis ruchu jąder atomowych

- Klasyczna dynamika molekularna

- Klasyczne pole siłowe

- Metody dla cząsteczek w roztworach - ciągłe modele wody

7. Obliczenia ab-initio, input, output, możliwe praktyczne obliczenia, lab. 2 godz.

8. Krótkie wprowadzenie na temat kryształów, wyk. 1 godz.

- Kryształy i symetrie w kryształach

- Wiązania międzyatomowe w kryształach.

9. Struktura elektronowa kryształów, wyk. 1 godz.

10. Przegląd metod obliczeniowych struktury elektronowej, wyk. 2 godz.

11. Mechanika vs. dynamika molekularna (ujęcie klasyczne), wyk. 1 godz.

12. Kwantowa oraz hybrydowa mechanika/dynamika molekularna, wyk. 2 godz.

13. Podstawy budowy białek oraz kwasów nukleinowych, wyk. 2 godz.

14. Obliczenia metodami klasycznej mechaniki/dynamiki molekularnej, wyk.2 godz.,lab. 2 godz.

15. Symulacje pandemii, wyk. 2 godz.

16. Modelowanie ekosystemów, wyk. 2 godz.

Kolejność podejmowanych zagadnień oraz szczegółowość ich realizacji może ulec nieznacznym zmianom.

1. Molecular Modelling: Principles and Applications, Andrew Leach

2. Molecular Modeling and Simulation: An Interdisciplinary Guide, Tamar Schlick

Wiedza: student zna i rozumie

W1 - zna i rozumie podstawy matematyczne wybranych metod obliczeniowych stosowanych w naukach przyrodniczych [K_W09]

Umiejętności: student potrafi

U1 - potrafi zaplanować proste symulacje komputerowe dla układów biologicznych/chemicznych, przeprowadzić je oraz przeanalizować [K_U10, K_U17]

U2 - potrafi ocenić dostępne zasoby sprzętowe względem problemu badawczego i metod jego rozwiązania oraz wskazać potencjalne wady i zalety możliwych podejść w rozwiązywaniu owego problemu badawczego [K_U13]

Student uzyskuje zaliczenie zajęć na podstawie:

1. obecności na zajęciach,

2. samodzielnego wykonania 3 ćwiczeń praktycznych w trakcie semestru (realizacji obliczeń dla układu molekularnego) złożonych najpóźniej w terminie do końca zajęć dydaktycznych w danym semestrze (weryfikacja efektu uczenia się U1, U2)

3. egzaminu pisemnego, do którego student jest dopuszczony po spełnieniu warunków opisanych w pkt. 1. i 2. (weryfikacja efektu uczenia się W1)

Ocena końcowa z przedmiotu ustalana jest na podstawie średniej arytmetycznej z 3 powyższych składowych.

UWAGA

1. Zwolnienie lekarskie nie zwalnia ze znajomości materiału. Uprawnia jedynie do zindywidualizowanej formy zaliczenia.

2. Osoby, które otrzymały zgodę na indywidualny tok studiów, mają obowiązek zgłosić się koordynatora przedmiotu w celu ustalenia sposobu realizacji wszystkich efektów uczenia się przypisanych do zajęć. W przypadku braku możliwości realizacji wyżej wymienionych efektów koordynator może odmówić zaliczenia przedmiotu.

3. Obecności na zajęciach jest obowiązkowa. W sytuacjach uzasadnionych nieobecności, student zobowiązany jest do niezwłocznego kontaktu z koordynatorem przedmiotu.