Modelování materiálů II
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav materiálových věd a inženýrství
Zimní semestr 2018-2019
Přednášející: doc. Ing. Roman Gröger, Ph.D.
Sylabus: ke stáhnutí zde

Počítačové modelování materiálů je nezbytným nástrojem pro pochopení vztahu mezi mikrostrukturou a fyzikálními vlastnostmi materiálů. Atomární metody založené na empirických a semiempirických potenciálech dnes představují účinné a běžně používané nástroje pro počítačové simulace chování nanostruktur, jako např. nanotrubky, epitaxní vrstvy, grafen, studia radiačního poškození nebo pohybu dislokací pod napětím. Spinové metody řešené metodou Monte Carlo a kontinuální mezoskopické modely jsou hojně využívány pro studia uspořádávání tuhých roztoků, fázové přechody v multiferoikách a jejich ovlivnění defekty krystalické mřížky. Makroskopické studie metodou konečných prvků, do kterých jsou v poslední době implementovány výsledky atomárních a mezoskopických studií, představují stěžejní nástroj pro predikci makroskopického chování reálných struktur. V tomto kurzu získají studenti základní teoretické znalosti o metodách počítačového modelování materiálů od úrovně interagujících atomů až po jejich makroskopický kontinuální popis a způsobech vizualizace získaných dat. Důraz je kladen na získání praktických zkušeností s těmito přístupy, a to jak prostřednictvím cvičení (implementace, řešení a analýza modelových problémů), tak také v samostatných pracích studentů.

Rozpis přednášek a cvičení vč. materiálů ke stažení:

Hodina	Téma	Prezentace	Simulace	Další materiály
(1) 25.9.2018	Modelování vztahů mezi mikrostrukturou a fyzikálními vlastnostmi, historie a současnost Cvičení: Studium Fermi-Pasta-Ulam problému	lecture01.ppt	fpu1.m fpu2.m fpu3.m fpu4.m	G.Dyson: The birth of the computer Porter_AmerSci97_2009.pdf
(2) 2.10.2018	Rovnovážná statistická mechanika, spinové modely a jejich řešení metodou středového pole Cvičení: Monte Carlo studie 1D-3D Isingova modelu a určení fázových diagramů	lecture02.ppt	rndpi.m energy1.m energy2.m energy3.m ising1.m ising1pd.m ising2.m ising2pd.m ising3pd.m	Moessner_PhysToday59_2006.pdf
(3) 9.10.2018	Mřížkový plyn a spinový popis binárních soustav. Jednoduché modely vývoje mikrostruktury (Monte Carlo metody, celulární automaty). Cvičení: Samplování hustoty stavů 2D Isingova modelu (Wang-Landauova metoda). Kawasakiho metoda uspořádávání v binárních soustavách. Studia jedoduchých celulárních automatů.	lecture03.ppt	ebinary.m energy2.m kawasaki.m wlising2.m glife.m schelling.m	Haynes_AmerSci101_2013.pdf
(4) 16.10.2018	Krystalografie a symetrie v reálném a reciprokém prostoru. Cvičení: Konstrukce libovolné Bravaisovy mřížky a úvod do vizualizací.	lecture04.ppt	mkxtal.m fillbox.m addatoms.m structure.m mtransf.m writexyz.m writecfg.m	N.Bostrom: What happens when our computers get smarter than we are?
(5) 23.10.2018	Molekulární statika, určení atomárních sil, energií a napětí v mnohočásticových soustavách. Cvičení: Základní stav krystalického Ar ve 2D a 3D s využitím Lennard-Jonesova potenciálu.	lecture05.ppt	ljplot.m mstatics.m block.m neighlist.m ljparams.m ljenergy.m rdf.m plot_block.m plot_rdf.m	Illustris Project: Towards a predictive theory of galaxy formation
(6) 30.10.2018	Základy Linuxu, molekulárních simulací v LAMMPS a vizualizace v AtomEye. Cvičení: Relaxace bloku Ar ve 2D a 3D pomocí Lennard-Jonesova potenciálu.	není	in.ar-2d-free  in.ar-3d-free  in.ar-3d-pbc-vconst  in.ar-3d-pbc-pconst  in.ar-particle	Web site of LAMMPS
(7) 13.11.2018	Pokročilejší interakční potenciály a jejich fyzikální význam. Cvičení: Určení energií krystalů. Simulace trhání nanovlánka Cu pomocí EAM.	není	Cu_mishin1.eam.alloy  in.energy  in.vacancy  in.interstitial  in.nanowire  in.elconst  init.mod  potential.mod  displace.mod	Mishin_PhysRevB63_2001.pdf
(8) 20.11.2018	Molekulární dynamika, stabilita numerické integrace pohybových rovnic, termostaty a barostaty. Cvičení: Simulace rázového zatížení Al v tlaku.	lecture08.ppt	in.al-compress  Al99.eam.alloy	Libbrecht_AmerSci95_2007.pdf
(9) 27.11.2018	Mezoskopické modely založené na metodě fázového pole. Cvičení: Studium dvojčatění ve feroelastických materiálech.	lecture09.ppt	cahn_hilliard.m allen_cahn.m twinning.m fplot.m (lokální část volné energie)	Sethna.pdf
(10) 4.12.2018	Metoda fázového pole krystalu. Cvičení: Vývoj mikrostruktury v modelu fázového pole krystalu.	není	sh.m pfc.m	Provatas_JOM_July2007.pdf
(11) 11.12.2018	Metody určení dráhy minimální energie soustavy. Cvičení: Určení transformační dráhy modelové soustavy metodou NEB.	lecture11.ppt	neb.m fplot.m sphere.m himmelblau.m rosenbrock.m	Ross_AmerSci94_2006.pdf
(12) 18.12.2016	Metoda konečných prvků, tvarové funkce a elasticita. Cvičení: Výpočet napjatosti a deformace osově zatíženého nosníku a rámu.	není	shapef.m gaussq.m fesolve.m femesh_quad4.m fem1.m fem2.m	Tvarové funkce v MKP

Zadání semestrálních prací:

Jednotlivá zadání jsou ke stažení tady. Během přednášky zjistíte (nebo jste už zjistili), které téma vám Matlab přidělil. Téma zpracujte písemně. Ke zkoušce si přinesete tuto zprávu vč. programu, který jste použili pro výpočet (pokud se téma týká numerické simulace). Článek Bitzek et al. (Phys. Rev. Lett. 97, 2006) o metodě FIRE je ke stažení zde.

Virtuální stroj Linux Ubuntu MATE:

Virtuální stroj Linux Ubuntu MATE si stáhnete pomocí linku dole. Je třeba jej rozbalit do Program Files\Virtual Machines nebo ekvivalent v české verzi. Už obsahuje LAMMPS (lmp_serial), AtomEye (a), JMol (jmol) a Ovito (ovito).
Ubuntu MATE (.zip soubor: 5 GB)

Témata pro Ph.D. studium:

Doporučené materiály online:

Getting Started with MATLAB (MathWorks, 204 stran
Linux Tutorial for Beginners (University of Surrey, UK)
LAMMPS Documentation (Sandia National Lab, USA)
AtomEye: Atomistic configuration viewer (MIT, USA)
Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D
OVITO: Open Visualization Tool (U. Darmstadt, Germany)

Doporučená literatura:

Computer Simulation of Liquids (M. P. Allen and D. J. Tildesley, Oxford Science Publications)
Understanding Molecular Simulations (D. Frenkel and B. Smit, Academic Press)
Statistical Mechanics: Entropy, Order Parameters and Complexity (J. P. Sethna, Oxford Master Series in Physics), preprint online