İTÜ LİSANSÜSTÜ DERS KATALOG FORMU (GRADUATE COURSE CATALOGUE FORM)

Transkript

1 İTÜ LİSANSÜSTÜ DERS KATALOG FORMU (GRADUATE COURSE CATALOGUE FORM) Dersin Adı Moleküler Simülasyon Yöntemleri Course Name Molecular Simulation Methods Kodu (Code) KMM 538E Bölüm / Program (Department/Program) Dersin Türü (Course Type) Dersin İçeriği (Course Description) 3060 kelime arası Yarıyılı (Semester) Bahar Spring AKTS Kredisi (ECTS Credits) Yüksek Lisans Kredisi (Local Credits) Kimya Mühendisliği/Kimya Mühendisliği Chemical Engineering/Chemical Engineering Seçmeli (Elective) Dersin Dili (Course Language) Ders Türü (Course Type) M.Sc. İngilizce (English) Moleküler simülasyon teorisi, yöntemleri ve uygulamaları. Moleküler modelleme, moleküliçi ve moleküller arası potansiyeller. Temel Monte Carlo ve moleküler dinamik yöntemleri ve hesaplama algoritmaları. Moleküler difüzyon ve adsorpsiyon simülasyonları. Serbest enerji, evre özellikleri, arayüz özellikleri, taşıma ve hız katsayılarının hesaplanması. Basit ve karmaşık akışkan ve katılara uygulamalar. Theory, methods, and application of molecular simulation. Molecular modeling, intramolecular and intermolecular potentials. Basic Monte Carlo and molecular dynamics techniques and computational algorithms. Simulation of molecular diffusion and adsorption. Evaluation of free energies, phase equilibria, interfacial properties, and transport and rate coefficients. Applications to simple and complex fluids and solids. Dersin Amacı (Course Objectives) Maddeler halinde 25 adet Dersin Öğrenme Çıktıları (Course Learning Outcomes) Maddeler halinde 49 adet 1) Moleküler modellerin kurulmasında uygulanan temel ilkeler hakkında bilgi vermek. 2)Temel simülasyon yöntemlerinin algoritmalarını tanıtmak, kapasiteleri ve sınırlamaları hakkında bilgi vermek. 3) Moleküler simülasyon yöntemlerinin fizikokimyasal sistemlerde uygulamasına dair temel prensipleri öğretmek. 4) Literatürdeki moleküler simülasyon çalışmalarının niteliğini değerlendirme yetisini kazandırmak. 1) To gain insight on the basic principles in molecular model construction. 2) To introduce basic simulation algorithms, their capabilities and limitations. 3) To know basic principles in the application of molecular simulation methods in physicalchemical systems. 4) To assess the molecular simulation studies in the literature. 1) Makroskopik sistemleri moleküler düzeyde modellemek. 2) Farklı modellerin güçlü ve zayıf yanlarını değerlendirmek. 3) Farklı simülasyon yöntemlerininim temel ilkelerini açıklamak. 4) Simülasyonları deneysel çalışmalara karşılattırılabilecek şekilde polimerler proteinler ve inorganik malzemelerin özelliklerini istatistiksel mekanik ifadeleri yardımıyla uygulamak. 5) Mühendislik problemlerini simülasyon yöntemleri ile çözmek. 1) Model macroscopic system in molecular scales. 2)Explain the strengths and weaknesses of different types of molecular models. 3) Explain general principles of different types of computer simulation. (Molecular Dynamics, Monte Carlo, Molecular mechanics) 4) Implement expressions from statistical thermodynamics in computer simulations to derive properties of polymers, proteins, and inorganic materials for comparison to experimental observables. 5) Apply molecular simulation techniques for solving engineering problems.

2 Kaynaklar (References) Maddeler halinde en çok 5 adet Ödevler ve Projeler (Homework & Projects) Laboratuar Uygulamaları 1. D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, Academic Press (2002) 2. D.C. Rappaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation, Cambridge University Press, (2004) 3. T. Schlick, Molecular modeling and simulation : an interdisciplinary guide, Springer, (2002) 4. V. Galiatsatos (ed.), Molecular simulation methods for predicting polymer properties, WileyInterscience, (2005). 5. M. Allen and D. Tildesley, Computer Simulation of Liquids, Oxford University Press (1989). Öğrencilerin dersi daha iyi öğrenmelerine yardım etmesi amacıyla dönem boyunca 5 tane haftalık ödev verilecek ve bunlar iki hafta sonra toplanacaktır. To help students for learning and comprehending the course material better, 5 problem sets should be assigned throughout the semester, and their solutions should be returned back in the two weeks. (Laboratory Work) Bilgisayar Kullanımı (Computer Use) Diğer Uygulamalar (Other Activities) Başarı Değerlendirme Sistemi Faaliyetler (Activities) Adedi* (Quantity) Değerlendirmedeki Katkısı, % (Effects on Grading, %) Yıl İçi Sınavları 1 20 (Assessment Criteria) (Midterm Exams) Kısa Sınavlar (Quizzes) Ödevler 5 20 (Homework) Projeler (Projects) Dönem Ödevi/Projesi 1 20 (Term Paper/Project) Laboratuar Uygulaması (Laboratory Work) Diğer Uygulamalar (Other Activities) Final Sınavı (Final Exam) 1 40 *Yukarıda Belirtilen Sayılar Minimum Olup Yerine Getirilmesi Zorunludur.

3 DERS PLANI Hafta Konular Dersin Çıktıları 1 Giriş ve temel termodinamik kavramlarına giriş 1 2 Temel klasik istatistiksel mekanik: Topluluklar ve dalgalanmalar 1,2 3 Simülasyon programlarının yapısı ve derste kullanılan simülasyon yöntemlerine giriş 1,2 4 Set kürelerin moleküler dinamiği, temel sıcaklık, topluluk ortalaması, hata tahmini ve 1,2,3 peryodik sınır kavramlarına giriş 5 Monte Carlo integrasyonu, önem örneklemesi, farklı topluluklarda Monte Carlo simülasyonları 6 Sürekli potansiyel ile denge moleküler dinamiği simülasyonları. Entegrasyon algoritmaları. Taşınım katsayılarının hesaplanması. Hibrit moleküler dinamik/monte carlo yöntemleri 7 Moleküler modelleme: sert ve yumuşak potansiyeller, çoklu atom modelleri. Burulma, gerilme ve esneme potansiyelleri. Elektrostatik ve polarizasyon. Elektrostatik etkileşmeleri hesaplamak için Ewal toplamı ve reaksiyon alanı yöntemleri. 8 Kuvvet alanı geliştirme: Ampirik ve ab initio temelli kuvvet alanları. Farklı kuvvet alanlarının karşılaştırılması. 9 Servet enerji hesaplamaları için farklı yöntemlerin incelenmesi: Termodianmik entegrasyon, serbesenerji pertürbasyonu, histogram yöntemleri 10 Faz dengesi hesaplamaları için Gibbs topluluğu simülasyonları. Arayüz özellikleri. 1,3,4,5 11 İleri moleküler dinamik: Kısıtlı ve dengedışı moleküler dinamil yöntemleri 1,3,4,5 12 Ender olaylar ve kinetik özelliklerin hesaplanması 1,3,4,5 13 Karmaşık akışkanlar ve biazlı örnekleme yöntemleri. Hidrojeb bağları, zincir moleküller, 1,3,4,5 Rosenbluth örneklemesi ve konfigürasyonel biazlı Mote Carlo 14 Paket simülasyon programlarına giriş 1,3,4,5 COURSE PLAN Weeks Topics Course Outcomes 1 Introduction and Review of Basic Concepts in Thermodynamics 1 2 Elementary classical statistical mechanics. Ensembles and fluctuations. 1,2 3 Structure of a simulation program and introduction to simulation methods used in the 1,2 course. 4 Molecular dynamics of hard spheres, demonstrating elementary concepts of 1,2,3 temperature, ensemble averaging, error estimation, periodic boundaries. 5 Monte Carlo integration, importance sampling. Monte Carlo simulation and extension to other ensembles. 6 Equilibrium molecular dynamics simulations of continuous potentials. Integration algorithms. Evaluation of transport coefficients. Hybrid molecular dynamics/monte Carlo methods. 7 Modeling of molecules: hard potentials and soft potentials, multiatomic models. Torsion, stretch and bend potentials. Electrostatics and polarizability. Ewald sum and reaction field methods for treating longrange electrostatic interactions. 8 Force field development methods: Empirical and ab initio based force fields. Comparison of different force fields. 9 Free energy calculations. Examination of several methods: thermodynamic integration, freeenergy perturbation (including umbrella sampling), and histogram methods. 10 Monte Carlo simulations in Gibbs ensemble for phase equilibria calculations. 1,3,4,5 Interfacial properties. 11 Advanced molecular dynamics methods, including constraints and nonequilibrium 1,3,4,5 molecular dynamics. 12 Rare events and evaluation of kinetic properties. 1,3,4,5 13 Complex fluids and biasedsampling techniques. Hydrogenbonding molecules. 1,3,4,5 Chain molecules. Rosenbluth sampling and configurational bias methods. 14 Brief introduction to commercial simulation softwares. 1,3,4,5

4 Dersin Kimya Mühendisliği Yüksek Lisans Program Çıktılarıyla İlişkisi Katkı Çıktılar Seviyesi İleri Kimya Mühendisliği problemlerini matematik, fen bilimleri ve mühendislik bilgilerini kullanarak tanımlama, formüle etme ve çözme becerisi 2 Alanına ilerleme/yenilik getiren bir sistemi ve/veya süreci analiz etme ve belirli gereksinimleri, ekonomi, çevre, sosyal, politik, etik, sağlık, güvenlik, uygulanabilirlik ve sürdürülebilirlik boyutlarını göz önüne alarak tasarlama becerisi 3 Alanı ile ilgili yeni düşünce ve yöntemler geliştirerek, sorun çözme ve karar verme gibi üst düzey zihinsel süreçleri, analitik, modelleme ve deneysel esaslı araştırmaları tasarlama amacıyla kullanabilme becerisi 4 Alanı ile ilgili sorunların çözümlenmesini gerektiren ortamlarda liderlik özelliklerini geliştirebilme becerisi 5 Özgün bir çalışmayı bağımsız olarak gerçekleştirebilme becerisi 6 Ulusal ve uluslararası platformlarda, uzman kişiler ile alanındaki konuların tartışılmasında özgün görüşlerini savunabilme ve alanındaki yetkinliğini gösteren etkili bir iletişimi en az Avrupa Dil Portföyü B2 genel düzeyinde kurabilme becerisi 7 Ulusal ve uluslararası etkilerin bilincinde olarak, alanı ile ilgili konularda karşılaşılan toplumsal, bilimsel, kültürel ve etik sorunların çözümüne ve gelişimine katkıda bulunabilme becerisi 8 Yaşam boyu öğrenmenin önemini benimsemiş olarak kendini sürekli geliştirme becerisi 9 Çağdaş konuları izleme ve bu konuları ileri kimya mühendisliği uygulamalarında kullanabilme becerisi 10 Alanı ile ilgili problemlerin çözümünde modern mühendislik yöntem/teknik ve araçlarını etkin bir şekilde kullanma becerisi 11 Alanının ilişkili olduğu disiplinler arası etkileşimi kavrayıp, edindiği bilgileri bütünleştirerek disiplinlerarası çalışmalarda kullanabilme becerisi 1: Az, 2. Kısmi, 3. Tam

5 Outcomes of the Chemical Engineering M.Sc. and Ph.D. program Outcomes 1: Little, 2. Partial, 3. Full Level An ability to apply knowledge of mathematics, science, and engineering in defining, formulating and solving advanced chemical engineering problems 2 An ability to analyze a system and/or process that introduces a novelty/advance to the related field and the ability to design a system by taking into consideration realistic constraints such as economic, environmental, social, political, ethical, health, and safety factors as well as manufacturability and sustainability 3 An ability to develop novel ideas and methods in order to use mental processes, such as problemsolving and decisionmaking in planning analytical, modeling and experimental research studies 4 An ability to develop leadership skills in environments where problems related to their field should be solved 5 An ability to carry out an original study independently 6 An ability to defend original ideas and communicate effectively at least European Language Portfolio B2 Levelin discussions made with experts in national and international meetings, indicating perfection in the related field 7 An ability to contribute to the solution of societal, scientific, cultural and ethical problems related to their field, being aware of their national and international impacts 8 An ability to achieve continuous selfimprovement by engaging in lifelong learning 9 An ability to have a knowledge of contemporary issues and use them in advanced chemical engineering applications 10 An ability to use effectively modern engineering methods/techniques and tools in solving problems related to their field 11 An ability to understand the interdisciplinary interactions related to their field and use integrated knowledge in interdisciplinary studies Düzenleyen (Prepared by) Göktuğ AHUNBAY Tarih (Date) İmza (Signature)