PRESENTAZIONE

L'insegnamento presenta alcuni dei metodi computazionali più importanti sviluppati nell'ambito della fisica della materia e che oggi trovano applicazione anche in settori della fisica applicata, quali le scienze dei materiali e la biofisica. Dopo una introduzione volta all'inserimento di queste metodologie nel contesto dell'high-performance-computing, l'insegnamento approfondisce lo studio dell'algoritmo della Dinamica Molecolare. Si presentano inoltre diverse altre tecniche computazionali di esplorazione del Potential/Free Energy Landscape. Tra queste, algoritmi di ottimizzazione globale, algoritmi di ricerca dei minimi e dei punti sella, e algoritmi di campionamento avanzato. L'insegnamento offre inoltre agli studenti la possibilità, attraverso le attività hands-on svolte durante il corso e in preparazione all'esame, di implementare alcuni degli algoritmi proposti, svolgere simulazioni su software proprio e open source, e analizzarne i risultati.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Gli obiettivi formativi dell'insegnamento sono: apprendimento dei concetti di energy landscape e di free-energy landscape, apprendimento dei principi alla base dei metodi per l'esplorazione dell'energy landscape per sistemi complessi, apprendimento dei concetti di variabili collettive e di free-energy landscape, apprendimento dei metodi piu' importanti per l'esplorazione dell'energy landscape, acquisizione della capacita' di elaborare e utilizzare software per lo studio dei sistemi complessi di intertesse nella fisica della materia e nella biofisica.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento si pone l'obiettivo di presentare agli studenti alcuni dei metodi della fisica computazionale più utilizzati nell'ambito della fisica della materia e delle scienze dei materiali. 

I risultati di apprendimento attesi sono:

• conoscenza di Dinamica Molecolare, teoria del (potential) Energy Landscape e tecniche per la sua caratterizzazione (ottimizzazione globale, ricerca minimi e punti sella), tecniche di campionamento avanzato del Free energy landscape (metodi Umbrella Sampling e Metadinamica)
• comprensione nel dettaglio dell’algoritmo base della MD, capacità di implementarlo, capacità di verificarne il corretto funzionamento, capacità di analizzarne semplici output
• capacità di sviluppare un piccolo progetto in autonomia, e saperlo presentare con chiarezza.
  NB: il progetto può consistere, per esempio: nell’ampliamento del codice MD sviluppato a lezione per la simulazione di uno specifico sistema; nell’implementazione di una delle tecniche di ottimizzazione globale viste a lezione; nell’applicazione, attraverso l’uso di software open source, di una delle tecniche di campionamento avanzato viste a lezione; ecc… Progetti più compilativi (per esempio: l’approfondimento di un argomento visto a lezione attraverso la lettura e commento di articoli scientifici) non sono a priori esclusi, ma vanno discussi di volta in volta con la docente.

PREREQUISITI

Programmazione in C++, Python, o (meno consigliato) MATLAB

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento è svolto in parte (circa 36/48 ore) con lezioni frontali, e per le restanti ore in forma laboratoriale.

• LEZIONI FRONTALI: le lezioni saranno svolte in parte alla lavagna, in parte sfruttando delle slide. Queste ultime saranno messe a disposizione degli studenti per lo studio a casa.

• LABORATORIO: durante le ore di laboratorio, gli studenti svolgeranno una attività di programmazione sotto la supervisione della docente. A questo scopo, gli studenti potranno portare con sé un computer portatile, dotato del software necessario alla compilazione ed esecuzione di codice in linguaggio C++ o Python (a scelta dello studente); oppure, avvalersi dell'attrezzatura dell'aula informatica al DIFI.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Nel dettaglio, gli argomenti trattati nel corso durante le 48 ore complessive saranno:

• Introduzione alle simulazioni al computer e al calcolo ad alte prestazioni – 1h
• Dinamica Molecolare (MD): i suoi obiettivi e algoritmi – 5h
• Implementazione di un software di MD classico di base – 14h (in aula, supervisionato)
• MD a diverse risoluzioni: metodo Car-Parrinello, campi di forza atomistici e a grana grossa – 4h
• (Potential) Energy Lanscapes – 3h
• Transition State Theory – 3h
• Tecniche di ottimizzazione globale – 2h
• Ricerca dei punti sella – 2h
• Free Energy Landscapes e tecniche di campionamento avanzato – 6h
• Applicazioni – 4h
• Lavoro supervisionato sul progetto finale degli studenti – ore rimanenti 

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Le slide utilizzate a lezione saranno messe a disposizione degli studenti tramite AulaWeb.
Sono inoltre testi consigliati:

"Computer Simulation of Liquids" di Michael P. Allen e Dominic J. Tildesley (Oxford University Press)
"Molecular modelling, principles and applications", di A. Leach (Pearson/Prentice Hall)
"Energy Landscapes: applications to clusters, biomolecules and glasses" di D. Wales (Cambridge University Press)

Dispense di Dinamica Molecolare, di Riccardo Ferrando

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

GIULIA ROSSI (Presidente)

RICCARDO FERRANDO

DAVIDE BOCHICCHIO (Supplente)

DIANA NELLI (Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 17 febbraio 2025 secondo l'orario riportato qui 

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame consiste in una prova orale, che comprende la presentazione del progetto individuale e la risposta ad alcune domande sugli argomenti del corso. Il voto finale sarà la media tra il voto assegnato al progetto (che include la qualità della presentazione) e il voto assegnato all'interrogazione sui contenuti del corso.

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Lo studente deve essere in grado di elaborare in modo autonomo e critico l'argomento scelto per il progetto individuale. Questo viene accertato valutando la qualità dell'esposizione orale e delle slide e approfondendo l'argomento scelto con domande attinenti.  Viene accertata quind la conoscenza dei concetti fondamentali spiegati nel corso con ulteriori domande non direttamente inerenti al progetto individuale.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: FISICA 9012 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici