Pla docent de l'assignatura

 

 
Tanca imatge de maquetació

 

Imprimeix

 

Dades generals

 

Nom de l'assignatura: Modelització de Nanomaterials i Superfícies

Codi de l'assignatura: 573608

Curs acadèmic: 2020-2021

Coordinació: Francesc Viñes Solana

Departament: Departament de Ciència de Materials i Química Física

crèdits: 3

Programa únic: S

 

 

Hores estimades de dedicació

Hores totals 75

 

Activitats presencials i/o no presencials

30
 

-  Teoria

Presencial i no presencial

  

20
 

-  Pràctiques d'ordinadors

Presencial i no presencial

  

10

Treball tutelat/dirigit

15

Aprenentatge autònom

30

 

 

Competències que es desenvolupen

 

Competències Generals (CG):
CG1 - Saber avaluar i seleccionar la teoria científica adequada i la metodologia precisa dels seus camps d’estudi per formular judicis a partir d’informació incompleta o limitada incloent-hi, quan calgui i sigui pertinent, una reflexió sobre la responsabilitat social o ètica lligada a la solució que es proposi en cada cas. 

CG2 - Ser capaç de consultar la bibliografia científica, bases de dades i analitzar documents cientificotècnics en anglès. 

CG3 - Ser capaç d’elaborar informes, presentacions i publicacions científiques. 

CG4 - Ser capaç de concebre i dissenyar un procés d’investigació. 

CG5 - Ser capaç de predir i controlar l’evolució de situacions complexes mitjançant el desenvolupament de noves i innovadores metodologies de treball adaptades a l’àmbit científic/investigador, tecnològic o professional concret, en general multidisciplinari, en el qual es desenvolupi la seva activitat.

CG6 - Desenvolupar l’autonomia suficient per participar en projectes d’investigació i col·laboracions científiques o tecnològiques dins el seu àmbit temàtic, en contextos interdisciplinaris i, si s’escau, amb una alta component de transferència del coneixement. 

Competències Bàsiques (CB):

CB6 - Posseir i comprendre coneixements que aportin una base o oportunitat de ser originals en el desenvolupament i/o aplicació d’idees, sovint en un context de recerca. 

CB7 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relatius al seu camp d’estudi. 

CB9 - Que els estudiants sàpiguen comunicar les seves conclusions i els coneixements i raons últimes que les sustenten a públics especialitzats i no especialitzats d’una manera clara i sense ambigüitats. 

CB10 - Que els estudiants posseeixin les habilitats d’aprenentatge que els permetin continuar estudiant d’una manera que haurà de ser en gran manera autodirigida o autònoma. 

Competències Transversals (CT):

CT1 - Ser autònom, dinàmic i organitzat, amb capacitat analítica i de síntesi, amb capacitat d’anàlisi crítica i amb capacitat de prospectiva. 

CT5 - Tenir la capacitat de prendre decisions i d’adaptació a situacions noves. 

Competències Específiques (CE):

CE6 - Comprendre les diferents escales de temps i longitud en la Naturalesa i els formalismes físico-matemàtics que s’apliquen en cadascuna d’elles. 

CE9 - Comprendre les lleis físiques que regeixen el comportament de superfícies, interfícies, nanopartícules i col·loides en condicions d’equilibri. 

CE13 - Donat un material, fenomen físic o químic o sistema complex que es vulgui modelitzar, ser capaç d’avaluar i seleccionar les escales de temps i longitud en les que aquest fenomen té lloc. 

CE14 - Donat un material, fenomen físic o químic o sistema complex que es vulgui modelitzar, ser capaç d’avaluar i seleccionar quines són les millors tècniques de modelització o simulació per descriure-ho en funció de la seva escala espai-temporal. 

 

 

 

 

Objectius d'aprenentatge

 

Referits a coneixements

Objectius d’aprenentatge
1 - Comprendre les lleis físiques que regeixen el comportament de superfícies, interfases, nanopartícules i sistemes de baixa dimensionalitat en condicions d’equilibri.

2 - Ser capaç d’utilitzar diferents paquets informàtics per a estudiar l’estructura i propietats de superfícies, nanopartícules, interfases i sistemes de baixa dimensionalitat.

3 - Comprendre els fonaments de les tècniques de simulació basades en camps de força i càlculs ab initioaplicats en aquest context.

4 - Comprendre els fonaments, les avantatges i límits dels models emprats per simular els sistemes amb diferents escales i dimensionalitats. 

 

 

Blocs temàtics

 

1. Fonaments de nanociencia.

*  Motivació de la nanociència i l’interès dels nanomaterials. Efectes d’escala i morfología (3D -> 2D -> 1D -> 0D).

2. Tipus de materiales nanoestructurats i exemples.

*  (0D) Nanoclústers, nanopartícules, "quantum dots" (e.g. Au, TiO2, CdSe). (1D) Nanorods, nanotubs, nanofils (p.e. BN, CNTs, Si). (2D) Nanofilms, materials per capes (p.e. ZnO, graphene, MoS2). (3D) Materials nanoporosos, ensamblatges de nanosistemes 0D/1D/2D (p.e. zeolites, materials basats en clústers, materials per capes tipus vdW).

3. Modelització de nanomaterials 1:

*  Predicció d’estructures/propietats de nanomaterials per construcció bottom-up. Introducció a les superficies d’energia lliure i la seva topologia. Optimització global. Processos de nucleació. Termodinàmica de nanosistemes discrets. Propietats. Limitacions dels models. Exemples d’aplicació.

4. Modelització de nanomaterials 2:

*  Aproximacions top-down per modelitzar nanomaterials. Diferència de nanoscales: del règim on cada àtom compta al règim escalable. Cristalls i models periodic. Estabilitat de polimorfs amb l’escala dels nanosistemes. Rellevància Importance de l’estabilitat superficial i recoonstrucció. Construcció de Wulff i més enllà. Creixement de nanoparticules. Formació i propietats de nanotubs i nanowires,  nanofilms i materials nanoporosos.  nanoporous materials. Exemples d’aplicació.

5. Fonaments de ciència de superfícies.

*  Estabilitat, morfologia, i processos de superfície (relaxació, reconstrucció, sintering i difusió, transferència de càrrega). Fenòmens en superfície: defectes, fisisorció i quimisorció, difusió. Reactivitat en superfícies.

6. Simulació de nanostructurates superficials.

*  Efectes de recobriment, nano-patrons i motlles moleculars, processos de autoassemblatge (p.e. PTCDA en grafè), adhesió de interfícies i simulació de processos de no-conmensurabilitat (p.e. grafè en Ni(111) i en Au(111)).

7. Modelització de materials nanoporosos (p.e. MOFs i zeolites) i membranes.

*  Avaluació de isotermes de fisisorció i quimisorció, processos de captura, separació, i enriquiment molecular. Diffusió a través de membranes.

8. Aplicacions en diferents camps (ambiental, nano, industrial, astronòmiques, ...):

*  Emmagatzematge d’energía (p.e. bateries de liti i sodi), nanofotónica (p.e. aprofitament de la llum solar en TiO2 o ZnO), smart materials (p.e. propietats a la carta de materials bidimensionals), pols espaial, quantum dots, sensors, materials desalinitzadors, conversions catalítiques, química verda (p.e. captura i conversió de CO2 i CH4), resolució química (p.e. separació de enantiòmers).

 

 

Metodologia i activitats formatives

 

Metodologia i activitats formatives
Aquesta és una assignatura teòric-pràctica en la que es donen uns continguts teòrics (20h) que es complementen amb una sèrie de pràctiques i demostracions amb ordinador (10h).

A les classes teòriques (20 h) s’exposen els continguts de l’assignatura de forma oral per part dels professorat sense la participació activa de l’alumnat. 

A les sessions pràctiques (10 h) s’aplicaran els diferents esquemes de modelització explicats a les classes teòriques a l’estudi de casos de sistemes nanoestructurats simples. Les sessions pràctiques s’intercalaran amb les classes teòriques, fent una classe pràctica cada dues de teoria.

A les sessions pràctiques s’utilitzarà un programari adient a l’ordinador. El programari que s’utilitzarà inclou diferents paquets per realitzar el càlcul de l’energia i les propietats dels sistemes estudiats (LAMMPS, GULP i VASP) i diverses aplicacions gràfiques per representar els resultats (GDIS, VMD, VESTA i P4VASP). En les sessions pràctiques l’alumne es familiaritzarà amb el programari amb els que realitzarà una sèrie de demostracions i pràctiques de les quals s’haurà de presentar un informe escrit per a cadascuna.

 

 

Avaluació acreditativa dels aprenentatges

 

Avaluació acreditativa dels aprenentatges 
Les classes teòriques (20 h) es combinaran amb sessions pràctiques (10 h) on s’aplicaran diferents esquemes de modelització de anàlisi de l’estabilitat i la dinàmica molecular a l’estudi de casos de sistemes nanoestructurats simples. L’assistència és obligatòria, i dos o més faltes impliquen un no presentat.

Avaluació:

L’avaluació de l’assignatura es basa en tres apartats: 

a) s’haurà de presentar un informe escrit de cadascuna de les pràctiques realitzades a les sessions pràctiques. La nota global dels informes entregats representa el 35 % de la qualificació final de l’assignatura.

b) Anàlisi crític d’un treball científic, assignat individualment a l’alumne, sobre una temàtica de modelització de materials nanoetructurats o superfícies del qual haurà de fer una presentació oral resumint el treball assignat i fent una discussió amb els professors de l’assignatura. La nota d’aquesta presentació oral i posterior que representa el 65 % de la qualificació global. 

Per poder qualificar l’assignatura és obligatori aportar els informes de les pràctiques i una còpia de la presentació corresponents als apartats a i b. 

Els alumnes que hagin estat qualificats amb una nota mínima de 3,5 poden ser reavaluats. La reavaluació té el caràcter d’avaluació única i consisteix en una prova de síntesi oral que inclou una presentació i un informe escrit sobre un bloc del temari que li assignin els professors de l’assignatura. La nota final és la més favorable de les dues, la de l’avaluació continuada o la de la reavaluació. L’estudiant que, havent superat l’assignatura, vulgui millorar la nota a la reavaluació, ha de renunciar a la qualificació mitjançant un escrit presentat al professor amb còpia a la Secretaria del centre. 

 

Avaluació única

Avaluació única
Donat l’alt contingut pràctic i demostratiu d’aquesta assignatura no es contempla la possibilitat d’avaluació única.