Course Syllabus
Obiettivi
Presentare i fondamenti teorici dei metodi di calcolo quantomeccanici e classici al fine del calcolo di proprietà molecolari e della modellizzazione di processi a livello molecolare, fornendo gli strumenti operativi per il loro utilizzo mediante esercitazioni al calcolatore svolte in laboratori informatici.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- i metodi quantomeccanici basati sulla funzione d’onda (MO ab initio) e quelli basati sul metodo della teoria del funzionale densità;
- i metodi per il calcolo delle proprietà molecolari;
- i metodi di simulazione molecolare basati su una descrizione classica dei sistemi molecolari;
- la superficie di energia potenziale e i metodi per l’individuazione e la caratterizzazione dei punti stazionari su di essa.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- calcolare proprietà stereo-elettroniche (geometrie, densità elettroniche, momenti di dipolo) e spettroscopiche (spettri infrarosso) dei sistemi molecolari;
- campionare la superficie di energia potenziale (conformazionale e reattiva) sia mediante metodi globali (simulazioni di dinamica molecolare, tecniche di ricerca sistematica) sia mediante metodi locali;
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- scegliere il metodo di calcolo più appropriato per lo studio del sistema di interesse;
- individuare e calcolare le grandezze più appropriate dato il problema da affrontare.
Abilità comunicative*
Saper descrivere in una relazione tecnica in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti modellistici di chimica computazionale.
Contenuti sintetici
Metodi quantomeccanici basati sui metodi della funzione d’onda (MO ab initio) e sul metodo della teoria del funzionale densità. Calcolo proprietà molecolari. La superficie di energia potenziale. Metodo della Meccanica Molecolare e metodi di simulazione molecolare
Programma esteso
Equazione di Schrödinger per sistemi molecolari e sue approssimazioni fondamentali. Richiami dei metodi MO ab initio e del metodo Hartree-Fock. Il metodo dell’interazione di configurazioni e forme approssimate; il metodo perturbativo Møller-Plesset (MPn). Introduzione ai metodi basati sulla teoria del funzionale densità. La funzione densità elettronica e le proprietà derivate: proprietà elettroniche interne e di risposta. Studio della superficie di energia potenziale (PES): definizione della PES; analisi conformazionale. Metodi di ricerca punti stazionari. Analisi vibrazionale. Analisi termochimica. Il metodo della Meccanica Molecolare. Metodi di simulazione molecolare. Metodo Monte Carlo e metodo della Dinamica Molecolare. Analisi delle traiettorie.
Esercitazioni in laboratorio informatico relative a: calcolo energie elettroniche e proprietà molecolari; calcolo superficie energia potenziale (PES) conformazionale con metodi quantomeccanici (a livello Hartree Fock, HF, e con metodi che includano la correlazione elettronica) e classici; calcolo PES reattiva con metodi quantomeccanici; analisi di traiettorie di dinamica molecolare classica su PES conformazionali; studio di proprietà di sistemi in soluzione acquosa mediante simulazioni di DM.
Prerequisiti
La teoria della meccanica quantistica: principi e applicazioni allo studio della struttura atomica e molecolare. Equazione di Schroedinger, metodo variazionale, metodo perturbativo, atomi idrogenoidi, atomi polielettronici, approssimazione di Born-Oppenheimer, struttura elettronica di molecole diatomiche. Principi di termodinamica statistica
Modalità didattica
L’insegnamento prevede 3 CFU (24 ore) di lezioni frontali e 3 CFU (36 ore) di esercitazioni in laboratorio informatico.
-) 12 lezioni frontali (da 2 ore ciascuna) svolte in presenza in modalità didattica erogativa
-) 9 attività di laboratorio (da 4 ore ciscuna), svolte in presenza in modalità didattica interattiva
Nel laboratorio informatico viene assegnato agli studenti, suddivisi in piccoli gruppi, un problema da risolvere utilizzando le tecniche presentate nelle lezioni teoriche. Lo svolgimento del problema è guidato dal docente e tende a sviluppare e rafforzare le capacità dello studente di identificare le tecniche più idonee all’applicazione. Viene anche presentata la metodologia utile per produrre un elaborato chiaro nella descrizione del procedimento seguito e accurato nella presentazione dei risultati ottenuti.
Materiale didattico
Dispensa fornite dai docenti: U. Cosentino, G. Moro, C. Greco, D. Pitea Molecular Modelling Videoregistrazioni delle lezioni sulla pagina e-learning dell’insegnamento.
Libri suggeriti:
F. Jensen “Introduction to computational chemistry“, 2a edizione, Ed. John Wiley & Sons Ltd, 2006.
A.R. Leach: “Molecular Modelling: Principles and Applications”, Ed. Prentice-Hall, 2001.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste nella presentazione di una relazione tecnica di gruppo relativa alle esperienze di laboratorio, e in un colloquio orale.
La relazione viene valutata in termini di completezza, accuratezza e chiarezza espositiva e il voto è attribuito sulla base dei seguenti criteri:
18-22: valutazione sufficiente ma con carenze significative in termini di completezza, accuratezza e chiarezza espositiva;
23-25: valutazione discreta con descrizioni complete ma non approfondite e accuratezza, con possibili carenze espositive;
26-27: valutazione distinta con descrizioni complete e accurate, esposte in modo corretto;
28-30/30L; valutazione ottima con descrizioni complete, accurate e con significativi contributi personali di carattere interpretativo dei risultati, esposte in modo chiaro ed esaustivo;
Il colloquio orale individuale riguarda i contenuti della relazione tecnica ed è volto a verificare: il livello delle conoscenze acquisite; l’autonomia di analisi e giudizio; le capacità espositive dello studente. Il voto del colloquio è attribuito sulla base dei seguenti criteri:
18-22: preparazione su un numero ridotto di argomenti, con capacità di trattazione e analisi limitate che sono sviluppate solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, con una capacità di elaborazione critica limitata;
23-25: preparazione su una parte degli argomenti affrontati nella relazione, capacità di analisi autonoma non sempre adeguata, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;
26-27: preparazione adeguata su un ampio spettro di tematiche, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai contesti e collegamento dei temi a casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;
28 – 30/30L: preparazione completa ed esaustiva, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e autoriflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione, riflessione e di autoriflessione.
Il voto finale, espresso in trentesimi con eventuale lode, è dato dalla media delle due prove.
Su richiesta dello studente, l'esame potrà essere svolto in lingua inglese.
Orario di ricevimento
In qualsiasi giorno, previo appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
To present the theoretical basis of quantum mechanical and classical computational methods and their use in the calculation of molecular properties and modeling of molecular processes, providing technical skill in their use by means of computational laboratory experiences.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- the quantomechanical methods based on the wave function (MO ab initio) and those based on the density functional theory;
- methods for calculating molecular properties;
- molecular simulation methods based on a classical description of molecular systems;
- the potential energy surface and methods for the identification and characterization of stationary points on it.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student is able to:
- calculate stereo-electronic (geometries, electronic densities, dipole moments) and spectroscopic (infrared spectra) properties of molecular systems;
- sample the (conformational and reactive) potential energy surface both by global methods (molecular dynamics simulations, systematic search techniques) and by local methods.
Making judgements
At the end of the course the student is able to:
- choose the most appropriate calculation method for studying the system of interest;
- identify and calculate the most appropriate molecular properties given the problem to be addressed.
Communication skills
To be able to describe in a technical report in a clear and concise way and to explain orally with a suitable language the objectives, the procedure and the results of the elaborations carried out.
Learning skills To be able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the modeling aspects of computational chemistry.
Contents
Quantum mechanical wave function (MO ab initio) and Density Functional Theory methods. Molecular properties calculations. Potential energy surfaces. Molecular Mechanics and simulation methods.
Detailed program
Schrödinger equation for molecular systems and main approximations. MO ab initio methods: the Hartree-Fock method; configuration interaction method and its approximations; the Møller-Plesset (MPn) perturbative methods. Introduction to methods based on the density functional theory. Electron density and derived properties: internal and response electronic properties. Potential energy surface (PES). Definition; conformational analysis. Characterization of stationary points on PES. Stationary points research methods. Vibrational analysis. Thermochemistry analysis. The Molecular Mechanics method. Molecular simulation methods. Monte Carlo and Molecular Dynamics methods. Trajectory analysis.
Computational laboratory experiences include: calculation of electronic energy and molecular properties; calculation of conformational potential energy surface (PES) by means of quantum mechanical (at the HF and correlated methods) and classical methods; calculation of reactive PES by means of quantum mechanical methods; classic molecular dynamics trajectory analysis on a conformational PES; molecular properties of systems in aqueous solution by menas of MD simulations.
Prerequisites
Quantum mechanics theory: principles and applications to atomic and molecular structures. Schroedinger equations, variational method, perturbative method, hydroneoid atoms, many electrom atoms, Born-Oppenheimer approximations, electronic structure of diatomic molecules. Basic concepts of statistical thermodynamics
Teaching form
Teaching includes 3 CFUs (24 hours) of lectures and 3 CFUs (36 hours) of laboratory activities in the computer lab.
) 12 two-hour lectures, in person, delivered frontal didatics;
-) 9 four-hour lab activities, in person, Interactive Teaching.
During the lab, is assigned to the students, divided into small groups, a problem to be solved using the techniques presented in the lectures. The solution of the problem is guided by the teacher and tends to develop and strengthen the student’s ability to identify the most suitable techniques for the application. The methodology useful for producing a report clear in the description of the procedure followed and accurate in presenting the results obtained is also presented.
Textbook and teaching resource
Lecture notes of the teachers: U. Cosentino, G. Moro, C. Greco, D. Pitea Molecular Modelling Videotaping of the lessons on the e-learning page of the course.
Suggested reading:
F. Jensen “Introduction to computational chemistry“, 2a edizione, Ed. John Wiley & Sons Ltd, 2006.
A.R. Leach: “Molecular Modelling: Principles and Applications”, Ed. Prentice-Hall, 2001.
Semester
Second semester
Assessment method
The exam consists of a group presentation of a technical report on the laboratory experiments, followed by an oral exam.
The report is evaluated for completeness, accuracy, and clarity of presentation, and the grade is assigned based on the following criteria:
18-22: sufficient grade but with significant deficiencies in terms of completeness, accuracy, and clarity of presentation;
23-25: fair grade with complete but not in-depth descriptions and accuracy, with possible deficiencies in presentation;
26-27: distinguished grade with complete and accurate descriptions, presented correctly;
28-30/30L: excellent grade with complete and accurate descriptions and significant personal contributions in interpreting the results, presented clearly and comprehensively;
The individual oral exam covers the content of the technical report and is designed to assess: the level of knowledge acquired; the student's independent analysis and judgment; and his/her presentation skills. The oral exam grade is assigned based on the following criteria:
18-22: knowledge on a limited number of topics, with limited discussion and analysis skills that are developed only with the instructor's assistance and questions; presentation skills and vocabulary are not always correct, with limited critical thinking skills;
23-25: knowledge on some of the topics covered in the report, independent analysis skills are not always adequate, use of correct vocabulary, though not entirely accurate and clear, and presentation skills are at times uncertain;
26-27: adequate knowledge on a broad range of topics, ability to independently conduct argumentation and critical analysis, ability to apply knowledge to contexts and connect topics to concrete cases, use of correct vocabulary, and proficiency in the use of disciplinary language;
28 – 30/30L: Complete and comprehensive preparation, ability to independently address and critically analyze topics, ability to reflect and self-reflect, and ability to connect topics to concrete cases and different contexts, excellent critical and independent thinking, full command of the disciplinary vocabulary, rigorous and detailed presentation skills, and ability to argue, reflect, and self-reflect.
The final grade, expressed out of thirtieths with possible honors, is the average of the two exams.
At the student's request, the exam may be taken in English.
Office hours
Every day, by appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Ugo Renato Cosentino
