2
Правительство Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный университет
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
учебной дисциплины
Компьютерное моделирование в химии
Computer Modeling in Chemistry
Язык(и) обучения
русский
_______________________________________________
Трудоёмкость (границы трудоёмкости) в зачетных единицах: ___5_____
Регистрационный номер рабочей программы: __025408____
Санкт-Петербург
2013
3
Раздел 1.
1.1.
Характеристики учебных занятий
Цели и задачи учебных занятий
Ознакомление обучающихся с основами методов компьютерного моделирования в химии,
в первую очередь, в физической химии. Задачи курса – изложение базовых принципов и
алгоритмов методов компьютерного моделирования, исходящих из общих положений
классической и квантовой механики и статистической термодинамики (методы МонтеКарло, молекулярной динамики, броуновской динамики), в приложении к расчетам
физико-химических свойств атомно-молекулярных систем; ознакомление с реализацией
этих методов на современных компьютерах, обучение работе с имеющимся
специализированным программным обеспечением и самостоятельному написанию
программ, реализующих соответствующие алгоритмы.
1.2. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания
учебных занятий (пререквизиты)
Для успешного освоения дисциплины аспирант должен иметь предварительную
подготовку в объеме курсов статистической термодинамики, физической химии,
квантовой химии, преподаваемых на 2 и 3 курсах в рамках учебного плана подготовки
специалистов или бакалавров.
1.3.
Перечень результатов обучения (learning outcomes)
В результате освоения дисциплины аспиранты должны владеть методами молекулярной
теории растворов и компьютерного моделирования свойств систем на основе данных о
структуре молекул и энергии межмолекулярных взаимодействий.
Курс: 1) углубляет знание и понимание статистической термодинамики и ее применения в
физической химии, раскрывая связь методов компьютерного моделирования в физической
химии с общими принципами классической и квантовой механики, статистической
термодинамики; 2) дает представление о теоретических основах методов молекулярной
динамики и Монте-Карло и их реализации в различных ансамблях; 3) формирует умение
реализовать алгоритмы этих методов в виде компьютерной программы на языке высокого
уровня; 4) знакомит с доступным программным обеспечением, реализующим методы
компьютерного моделирования атомно-молекулярных систем.
1.4.
Перечень активных и интерактивных форм учебных занятий
Практические занятия – 48 часов.
Раздел 2.
2.1.
Организация, структура и содержание учебных занятий
Организация учебных занятий
2.1.1 Основной курс
Трудоёмкость, объёмы учебной работы и наполняемость групп обучающихся
Трудоёмкость
итоговая аттестация
(сам.раб.)
промежуточная аттестация
(сам.раб.)
текущий контроль (сам.раб.)
сам.раб. с использованием
методических материалов
Самостоятельная работа
итоговая аттестация
под руководством
преподавателя
в присутствии
преподавателя
промежуточная
аттестация
текущий контроль
коллоквиумы
контрольные работы
лабораторные работы
консультации
практические
занятия
семинары
лекции
Период обучения (модуль)
Контактная работа обучающихся с преподавателем
Объём активных и интерактивных
форм учебных занятий
4
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
Семестр 34
ИТОГО
30
48
2
30
20
225
30
50
225
1-1
225
225
1-1
48
2
30
20
50
48
5
48
5
Формы текущего контроля успеваемости, виды промежуточной и итоговой аттестации
Период обучения (модуль)
Формы текущего
контроля
успеваемости
Виды итоговой аттестации
Виды промежуточной
аттестации
(только для программ итоговой
аттестации и дополнительных
образовательных программ)
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
Семестр 3-4
зачет
2.2. Структура и содержание учебных занятий
Основной курс
Основная траектория
Очная форма обучения
Период обучения (модуль): 2-й год обучения
№
п/п
Наименование темы (раздела, части)
Вид учебных занятий
Количество
часов
5
1
2
3
4
5
6
Введение. Общее представление о
методах компьютерного моделирования в
статистической
термодинамике
и
физической химии атомно-молекулярных
систем и их месте среди других методов
исследования этих систем.
Построение моделей атомномолекулярных систем
Теоретическое обоснование и
практическая реализация моделирования
методом Монте-Карло в различных
статистических ансамблях
Теоретическое обоснование и описание
методов молекулярной динамики,
основанных на решении уравнений
движения системы большого числа
частиц с заданным потенциалом
межчастичного взаимодействия
Расчет термодинамических, структурных,
транспортных характеристик
моделируемых систем
Компьютерные алгоритмы и программы
для моделирования атомномолекулярных систем, их возможности и
Лекции
4
Практические занятия
0
под руководством
преподавателя
10
Лекции
6
Практические занятия
4
под руководством
преподавателя
5
Лекции
10
Практические занятия
8
под руководством
преподавателя
5
Самостоятельная работа с
использованием
методических материалов
10
Лекции
6
Практические занятия
8
под руководством
преподавателя
10
Самостоятельная работа с
использованием
методических материалов
10
Лекции
4
Практические занятия
4
В присутствии
преподавателя
4
Самостоятельная работа с
использованием
методических материалов
10
Лекции
0
Практические занятия
24
6
ограничения
В присутствии
преподавателя
16
Самостоятельная работа с
использованием
методических материалов
20
2. Темы и их краткое содержание
2.1. Общее представление о методах компьютерного моделирования в статистической
термодинамике и физической химии атомно-молекулярных систем. Общее понятие
моделирования. Аналитическое и имитационное моделирование. Соотношение
(имитационного) компьютерного моделирования, аналитической теории и эксперимента.
Характерные пространственные и временные масштабы различных методов
моделирования (расчеты ab initio, полуэмпирические квантовохимические расчеты,
классическое "атомистическое" компьютерное моделирование, мезоскопическое
моделирование, моделирование в рамках макроскопической теории сплошных сред).
2.2. Модельные потенциалы межчастичного взаимодействия как основное исходное
приближение при компьютерном моделировании атомно-молекулярных систем.
Идеализированные и реалистические модели. Атом-атомные потенциалы:
парно-аддитивное приближение и
поправки,
учитывающие многочастичные
взаимодействия. Короткодействующие и дальнодействующие потенциалы. Наиболее
распространенные короткодействующие атом-атомные модельные парные потенциалы
(Леннард-Джонса, Букингема). Электростатические взаимодействия: мультипольное
разложение.
Статистическое
усреднение
электростатических
взаимодействий.
Индукционные (поляризационные) взаимодействия. Дисперсионные взаимодействия.
Модельные потенциалы для молекулярных систем. Стандартные силовые поля. Наиболее
распространенные модели молекулы воды.
2.3. Метод Монте-Карло (МК): история создания. Основания приложения метода МК к
статистико-термодинамическим задачам: метод ансамблей и эргодическая гипотеза. Цепи
Маркова; алгоритм Метрополиса для метода МК в каноническом ансамбле. Особенности
моделирования, связанные с малым (сравнительно с термодинамическим пределом)
размером модельной ячейки МК. Периодические граничные условия (ПГУ). Учет вклада
взаимодействий на дальних расстояниях в энергию системы при использовании ПГУ.
Метод МК в изотермо-изобарическом ансамбле. Метод МК в большом каноническом
ансамбле.
"Гиббсовский" ансамбль (NVT- и NpT-версии) для расчета фазовых равновесий методом
МК.
2.4. Метод молекулярной динамики (МД). Алгоритмы и конкретные методы
интегрирования уравнений движения (алгоритм Эйлера, метод предиктора-корректора,
методы Верле, метод Шофилда и т.д.). Метод МД для систем с жесткими связями.
Молекулярно-динамическое моделирование при постоянной температуре
постоянных температуре и давлении. Основы метода броуновской динамики.
и
при
2.5. Расчет термодинамических свойств (энергия, давление) и структурных характеристик
при моделировании методами МК и МД. Особенности описания структуры молекулярных
7
и упорядоченных систем. Расчет кинетических (транспортных) свойств в методе
молекулярной динамики (формулы Грина - Кубо; соотношения Эйнштейна; уравнение
Эйнштейна - Нернста для электропроводности). Методы расчета свободной энергии,
химического потенциала и других энтропийных характеристик при компьютерном
моделировании (метод пробной частицы, зонтичный метод, использование
интегрирования по параметру и "расширенных ансамблей").
2.6. Компьютерные алгоритмы и программы для моделирования атомно-молекулярных
систем, их возможности и ограничения.
Пакеты Gromacs, DL_POLY (метод МД), Towhee (метод МК).
Раздел 3.
3.1.
Обеспечение учебных занятий
Методическое обеспечение
3.1.1 Методические указания по освоению дисциплины
Не предусмотрены.
3.1.2 Методическое обеспечение самостоятельной работы
В качестве методического материала служат: программа данного курса лекций, конспекты
лекций, электронный вариант лекций в виде презентаций PowerPoint, а также
приведенный в программе лекций список литературы (монографии и статьи),
используемой в качестве методического обеспечения аудиторной и самостоятельной
работы; эта литература доступна в бумажном или электронном виде.
Дополнительно:
1. Пиотровская Е. М., Бродская Е. Н. Метод Монте-Карло в статистической
термодинамике и физической химии. НИИХимии СПбГУ, 1999.
2. Бродская Е. Н., Пиотровская Е. М. Метод молекулярной динамики в физической
и коллоидной химии. НИИХимии СПбГУ, 1999.
3. Документация к пакетам программного обеспечения для компьютерного
моделирования Gromacs, DL_POLY, Towhee в электронной форме.
3.1.3 Методика проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации и критерии оценивания
Промежуточная аттестация проводится в виде зачета. Задание, составляющее содержание
зачета, состоит в написании компьютерной программы на языке высокого уровня
(преимущественно Фортран или C), осуществляющей расчет внутренней энергии,
"вириального" давления, радиальных функций распределения для простых
однокомпонентных или бинарных атомно-молекулярных систем методом молекулярной
динамики или Монте-Карло в каноническом, изотермо-изобарическом, большом
каноническом или "гиббсовском" ансамбле. Зачет считается сданным, если программа
работает (выводит результаты) в соответствии с условиями задания. При проведении
промежуточной аттестации используются билеты по 2 вопроса в каждом.
Перечень вопросов к экзамену отражает содержание всех рассмотренных в курсе тем и
определяется преподавателем.
8
3.1.4 Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости и
промежуточной аттестации (контрольно-измерительные материалы, оценочные средства)
Перечень вопросов к зачету по курсу определяется преподавателем, исходя из тем,
включенных в данную программу.
Пример билетов для зачета:
Билет 1.
1. Модельные потенциалы межчастичного взаимодействия.
2. Расчет кинетических (транспортных) свойств в методе молекулярной динамики.
Билет 2.
1. Метод Монте-Карло.
2. Расчет термодинамических свойств и структурных характеристик при моделировании
методом молекулярной динамики.
3.1.5 Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества
учебного процесса
Не предусмотрены.
3.2.
Кадровое обеспечение
3.2.1 Образование и (или) квалификация преподавателей и иных лиц, допущенных к
проведению учебных занятий
Д.х.н. или к.х.н., имеющий опыт преподавательской работы.
3.2.2 Обеспечение учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
Не требуется.
3.3.
Материально-техническое обеспечение
3.3.1 Характеристики аудиторий (помещений, мест) для проведения занятий
Чтение лекций осуществляется в аудиториях, снабженных оборудованием для
представления презентационного материала, доской и мелом. Семинары проводятся в
помещениях, оснащенных компьютерами для самостоятельной работы и выполнения
контрольных заданий (рабочими станциями с возможностью работы в UNIX-подобной ОС
– Linux или FreeBSD – и компиляции программ на языках Фортран и C, а также
выполнения программ из специализированных пакетов для компьютерного
моделирования атомно-молекулярных систем), снабженных оборудованием для
представления презентационного материала, доской и мелом.
3.3.2 Характеристики аудиторного оборудования, в том числе неспециализированного
компьютерного оборудования и программного обеспечения общего пользования
Компьютер для показа иллюстративного материала в формате Power Point с
установленной программой показа презентаций, мультимедийный проектор и экран, а
также доска для записи мелом. Компьютеры – рабочие станции с возможностью работы в
UNIX-подобной ОС – Linux или FreeBSD – и компиляции программ на языках Фортран и
C, а также выполнения программ из специализированных пакетов для компьютерного
моделирования атомно-молекулярных систем; необходимое число рабочих мест на
указанных компьютерах определяется из расчета не более 2 человек на одно рабочее
место.
3.3.3 Характеристики специализированного оборудования
Не предусмотрено.
9
3.3.4 Характеристики специализированного программного обеспечения
Пакеты для компьютерного моделирования атомно-молекулярных систем. Минимальный
набор включает бесплатно распространяемые пакеты Gromacs, DL_POLY, Towhee.
3.3.5 Перечень и объёмы требуемых расходных материалов
Мел, фломастеры.
3.4.
Информационное обеспечение
3.4.1 Список обязательной литературы
1. Смирнова Н. А. Методы статистической термодинамики в физической химии. М.:
Высшая школа, изд.2-е,1982.
2. Смирнова Н. А. Молекулярные теории растворов. Л.: Химия, 1987.
3. Соколова Е. П., Смирнова Н. А. Межмолекулярные взаимодействия. Основные понятия.
СПб.: СПбГУ, 2008.
4. Замалин В. М., Норман Г. Э., Филинов В. С. Метод Монте-Карло в статистической
термодинамике. М.: Наука, 1977.
5. Allen M. P., Tildesley D. J. Computer simulation of liquids. Oxford: Clarendon Press, 1987.
6. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation: From algorithms to applications.
(Second edition.) San Diego – London: Academic Press, 2002.
7. О.В. Сизова, И.В. Барановский "Компьютерное моделирование молекулярной
структуры" Изд-во СПбГУ. 2000.
8. Френкель Д., Смит Б. Принципы компьютерного моделирования молекулярных систем.
От алгоритмов к приложениям. Научный мир. 2013.
9. Рапапорт Д.К. Искусство молекулярной динамики. Издательство «ИКИ». 2012
3.4.2 Список дополнительной литературы
1. Nicholson N., Rosenbluth M., Rosenbluth A. e. a. Equation of state calculations by fast
computing machines. // J. Chem. Phys. 1953. V. 21, No 6. P. 1087 – 1092.
2. Alder B. J., Wainwright T. E. Studies in molecular dynamics. I. General method. // J. Chem.
Phys. 1959. V. 31, No 2. P. 459 – 466.
3. Методы Монте-Карло в статистической физике. / Ред. К. Биндер. М.: Мир, 1982.
4. Panagiotopoulos A. Z. Gibbs ensemble techniques. // Observation, prediction and simulation
of phase transitions in complex fluids. / M. Baus, L. R. Rull, J. P. Ryckaert (eds.). NATO ASI
Series C. V. 460. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1994. P. 463 – 501.
5. Monte Carlo and molecular dynamics simulations in polymer science. / K. Binder (ed.). N.Y.
– Oxford: Oxford University Press, 1995.
6. Sadus R. J. Molecular simulation of fluids: Theory, algorithms and object-orientation. (Second
edition.) Amsterdam etc.: Elsevier, 2002.
7. J.N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces Academic Press Ltd., Third Edition,
Elsevier. 2011.
3.4.3 Перечень иных информационных источников
Интернет-ресурсы: Web of Science, www.elibrary.ru и др.
Раздел 4. Разработчики программы
Доцент каф. Физической химии, к.х.н. Готлиб Игорь Юльевич, телефон: (812)4284066
