C5303 Pokročilé modelování pevných látek

Přírodovědecká fakulta
podzim 2026
Rozsah
1/1/0. 2 kr. (plus ukončení). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučováno kontaktně
Vyučující
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D. (přednášející)
Ing. Monika Všianská, Ph.D. (přednášející)
Garance
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Út 9:00–10:50 C12/311
Předpoklady
Základní znalosti z vysokoškolské fyzikální chemie (termodynamika, rovnováha, fázové diagramy, chemická struktura, kvantová chemie - obsaženo v předmětech - C1020, C4660, C4020, C9920, C9930).
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Anotace
Cílem předmětu je objasnit problematiku modelování vlastností pevných látek za využití principů kvantové-mechaniky a výpočetní termodynamiky (metoda CALPHAD). Vysvětleny budou teoretické základy kvantové mechaniky a termodynamiky, přičemž důraz bude kladen na aplikaci teoretických znalostí do samotného modelování. Praktická část kurzu je zaměřena na principy práce s jednotlivými programy, jejichž platnost si studenti ověří při samostatné práci s dostupným software. Studenti se rovněž naučí své výsledky prezentovat písemnou formou odpovídající standardům používaným v daném oboru.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:
- popsat a vysvětlit pojmy a principy kvantové mechaniky a termodynamiky související s modelováním pevných látek;
- identifikovat a vysvětlit souvislosti mezi pojmy tvořícími teoretický základ používaných metod a daty používanými jako vstupní parametry vlastních výpočtů ovlivňující kvalitu získaných výsledků;
- samostatně pracovat s dostupným sofware určeným pro počítačové modelování;
- navrhnout, vysvětlit a použít vhodnou metodu a pracovní postup pro modelování jednotlivých vlastností vybraného materiálu metodami kvantové mechaniky a / nebo výpočetní termodynamiky (metoda CALPHAD);
- prezentovat a diskutovat své výsledky písemnou formou odpovídající standardům používaným oboru;
Klíčová témata
  • 1. Úvod: Principy modelování. Význam modelování v současné chemii pevných látek a materiálovém výzkumu. Souvislosti mezi experimentálním a teoretickým popisem fází.
  • 2. Krystalografie: krystalová struktura materiálu a její popis, symetrie, souvislosti mezi krystalovou strukturou a termodynamikou, uspořádanost, typy fází.
  • 3. Základní pojmy kvantové chemie (vlnová funkce, hustota pravděpodobnosti, Schrödingerova rovnice). Popis pevné látky z prvních principů (Born-Oppenheimerova aproximace, teorie funkcionálu hustoty, funkcionál výměnné a korelační energie, Blochův teorém). Metody výpočtů elektronové struktury a jejich přehled (APW, OPW, LCAO, KKR, LMTO, LAPW, pseudopotenciály).
  • 4. Úvod do prostředí Linux a do použití podpůrných programů (SSH, vi editor, …) používaných při kvantově-mechanických výpočtech v tomto prostředí.
  • 5. Kvantově-mechanické výpočty I (parametry ovlivňující správnost výpočtu - vhodnost metody, síť k-bodů, cutt-off energie). Praktická aplikace získaných vědomostí (vstupní soubory a výpočet).
  • 6. Kvantově-mechanické výpočty II (čistý prvek v základním stavu: energie, strukturní a mechanické vlastnosti, pásová struktura, hustoty stavů, magnetismus). Praktická aplikace získaných vědomostí (výstupní soubory a zpracování výsledků).
  • 7. Kvantově-mechanické výpočty III (modelování teoretické pevnosti, bezdifúzní fázové transformace, tvorné energie, polymorfismus. Poruchy mřížek. Difúzní bariery, povrchy, rozhraní, kompozity). Praktická aplikace získaných vědomostí.
  • 8. Základní pojmy výpočetní termodynamiky (zákony termodynamiky, rovnováha, metoda CALPHAD, fázové diagramy).
  • 9. Modely fází a jejich vztah ke krystalografické struktuře, Gibbsova energie fáze a její závislost na teplotě, tlaku a složení.
  • 10. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD I (vstupní data pro semiempirické modelování, termodynamické databáze) Praktická aplikace získaných vědomostí (vstupní soubory).
  • 11. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD II (hledání termodynamické rovnováhy, minimalizace Gibbsových energií) Praktická aplikace získaných vědomostí (výpočet fázového diagramu).
  • 12. Výpočty fázových rovnovah metodou CALPHAD III (termodynamický assessment, optimalizace termodynamických dat). Praktická aplikace získaných vědomostí (výpočet fázového diagramu).
  • 13. Prezentace získaných výsledků, diskuze použitých metod a přístupů.
Studijní zdroje a literatura
  • CALLISTER, William D. Fundamentals of materials science and engineering : an interactive e.text. 5th ed. New York: John Wiley & Sons, 2001, xxi, 524 s. ISBN 0-471-39551-X. info
  • KITTEL, Charles. Úvod do fyziky pevných látek. 1. vyd. Praha: Academia, 1985, 598 s. URL info
  • GIUSTINO, Feliciano. Materials modelling using density functional theory : properties and predictions. Oxford: Oxford University Press, 2014, xiv, 286. ISBN 9780199662432. info
  • JENSEN, Frank. Introduction to computational chemistry. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons, 2007, xx, 599. ISBN 9780470011874. info
  • LEE, June Gunn. Computational materials science : an introduction. Boca Raton: CRC Press, 2012, xxi, 280. ISBN 9781439836163. info
  • LUKAS, Hans Leo; Suzana G. FRIES a Bo SUNDMAN. Computational thermodynamics : the Calphad method. Cambridge: Cambridge University Press, 2007, x, 313. ISBN 9780521868112. info
  • LIU, Zi-Kui a Yi WANG. Computational thermodynamics of materials. 1st edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2016, vii, 251. ISBN 9780521198967. info
  • SAUNDERS, Nigel a Peter A. MIODOWNIK. Calphad :calculation of phase diagrams : a comprehensive guide. Oxford: Pergamon, 1998, xvi, 479 s. ISBN 0-08-042129-6. info
Přístupy, postupy a metody používané ve výuce
přednášky, diskuze, práce na počítači (velmi vhodné je mít vlastní notebook, který je možné si přinést do výuky), domácí práce

Pokud situace neumožní kontaktní výuku, bude způsob výuky upraven následovně: výuka bude vedena online v prostředí programu MS Teams nebo prostřednictvím nahraných přednášek (slovně komentovaných elektronických prezentací). Přednášky budou v případě zájmu doplněny o online konzultace.
Způsob ověření výstupů z učení a požadavky na ukončení
Hodnocení proběhne formou posouzení kvality odevzdané zprávy a diskuzí nad získanými výsledky. Hodnocena bude:
(1) kvalita provedení zadaných výpočtů;
(2) úroveň odevzdané zprávy;
(3) míra porozumění teoretickým základům a praktickým aspektům prováděných výpočtů.
Hodnocení může být realizováno jednou ze dvou forem: 1. prezenční ústní nebo 2. distanční ústní prostřednictvím MS Teams.
Navazující předměty
Odkaz a informace vyučujících
Je vhodné mít vlastní notebook, který je možné si přinést do výuky.
Další komentáře
Studijní materiály
Poznámka k ukončení předmětu: Pro zdárné ukončení předmětu je nutné provést zadané výpočty a vypracovat o nich zprávu.
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024, podzim 2025.
  • Statistika zápisu (nejnovější)
  • Permalink: https://is.muni.cz/predmet/sci/podzim2026/C5303