Fakulteta za podiplomski študij

Večnivojsko modeliranje materialov in inženirstvo

Predmet se izvaja v programu:
Podiplomski študijski program Materiali (tretja stopnja)

Cilji in kompetence

Zadani cilji, kompetence in veščine študentov, ki bodo izbrali ta dotični predmet bodo najprej vključevale znanje za popise na različnih velikostnih ravneh (postopki, pristopi in oprema), to je od atomov do uporabe na dejanski končni izvedbi (1). Nadalje se bodo študenti naučili, kako uporabljati vsaj en enostopenjski pristop popisa na osnovi njihovih posamičnih predpostavk, opredeljenih za predvideno doktorsko delo, to je z ali brez povezave z meritvami (2). Kot zadnje pa bo cilj naučiti se primerjati razviti popis snovi z izmerjenimi podatki poskusov, torej pridobljenimi s strani udeleženih študentov, drugih sodelujočih raziskovalcev ali pa primerljivih objavljenih vrednosti (3). Medtem ko bo (1) prvenstveno dosežena s predavanji/ seminarji, bosta (2) in (3) pretežno omogočena preko samostojnega dela študentov, pa vendar je predvideno nepretrgano sodelovanje predavatelja.

Pogoji za vključitev v delo oz.
za opravljanje študijskih obveznosti

/

Vsebina

1. Uvod

2. Napredek, omejitve and prihodnost modeliranja kemije

2.1. Reakcije plinskih zmesi

2.2. Heterogene površinske pretvorbe

2.3. Določanje vplivnih spremenljivk površinske kemije

2.3.1. Napovedovanje prehodnih stanj reakcij z uporabo ohranitve števila vezi (BOC)

2.3.2. Vrednosti pred-členov enačb: spremenljivke površinske vezave in pred-eksponenti

3. Napovedovanje površinske kemije

3.1. Monte Carlo simulacije

3.2. Ozadja površinske difuzije

3.3. Kvantno-molekulska sklopitev enačb

4. Napovedovanje na ravni obratovanja enot in sklopitev molekulskega toka

4.1. Opisi dejanske uporabe inženirskih snovi

4.2. Postopki, ki vključujejo kemijsko/energijsko pretvorbo

4.3 Povezovanje različnih časovnih/prostorskih ravni

5. Napovedna orodja postopkov prileganja spremenljivk na ravni molekul in obratovanja

5.1. Pregled trenutnih pristopov/postopkov/orodij

5.2. Izboljšave z uporabo visokozmogljivih računalniških pristopov

6. Mezo-skopsko ogrodje vezave/pretvorb za opis površinskih postopkov

7. Povzetek in prihodnost

Predvideni študijski rezultati

Predvideni študijski rezultati bodo obsegali študentsko pridobivanje znanje o teoriji gostotnega funkcionala (DFT), kinetičnem Monte Carlu (KMC) in računski dinamiki tekočin (CFD), predvsem pri uporabi slednjih pristopov za različne fizikalne, kemijske ter biološke materiale, postopke in sestave, na primer vključujoče prevajanje, difuzijo, konvekcijo, sevanje, adsorpcijo, desorpcijo, reakcije, ravnotežja ter različne pretvorbe energije. Poleg naslavljanja vseh teh pojavov ločeno, bodo izsledki prav tako vsebovali premostitev slednjih (1), njihovo nadaljnjo uporabo za nova porajajoča se področja (2), pa vendar, največ za predvideno rabo le-teh, da bi izboljšali zgradbo, namen in uporabnost omenjenih snovi, postopkov in (zapletenih) sestavov (3). Ciljana področja uporabe bodo načrtovana za obstoječo/porajajočo se kemijsko, energijsko in farmacevtsko industrijo.

Temeljna literatura in viri

  • Multiscale modeling and general theory of non-equilibrium plasma-assisted ignition and combustion; By: Yang, Suo; Nagaraja, Sharath; Sun, Wenting; et al.; JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS Volume: 50 Issue: 43 Article Number: 433001 Published: NOV 1 2017
  • Protein effects in non-heme iron enzyme catalysis: insights from multiscale models; By: Vedin, Nathalie Proos; Lundberg, Marcus; JOURNAL OF BIOLOGICAL INORGANIC CHEMISTRY Volume: 21 Issue: 5-6 Pages: 645-657 Published: SEP 2016
  • The strength of multi-scale modeling to unveil the complexity of radical polymerization; By: D’hooge, Dagmar R.; Van Steenberge, Paul H. M.; Reyniers, Marie-Francoise; et al.; PROGRESS IN POLYMER SCIENCE Volume: 58 Pages: 59-89 Published: JUL 2016
  • Modeling and Simulations in Photoelectrochemical Water Oxidation: From Single Level to Multiscale Modeling; By: Zhang, Xueqing; Bieberle-Hutter, Anja; CHEMSUSCHEM Volume: 9 Issue: 11 Pages: 1223-1242 Published: JUN 8 2016
  • Reaction mechanisms and multi-scale modelling of lignocellulosic biomass pyrolysis; By: Anca-Couce, Andres; PROGRESS IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE Volume: 53 Pages: 41-79 Published: MAR 2016
  • Use of QM/DMD as a Multiscale Approach to Modeling Metalloenzymes; By: Gallup, N. M.; Alexandrova, A. N.; Edited by: Voth, GA; COMPUTATIONAL APPROACHES FOR STUDYING ENZYME MECHANISM, PT A Book Series: Methods in Enzymology Volume: 577 Pages: 319-339 Published: 2016
  • Bridging scales through multiscale modeling: a case study on protein kinase A; By: Boras, Britton W.; Hirakis, SophiaP.; Votapka, Lanew.; et al.; FRONTIERS IN PHYSIOLOGY Volume: 6 Article Number: 250 Published: SEP 9 2015
  • Simulating cancer growth with multiscale agent-based modeling; By: Wang, Zhihui; Butner, Joseph D.; Kerketta, Romica; et al.; SEMINARS IN CANCER BIOLOGY Volume: 30 Pages: 70-78 Published: FEB 2015
  • Multiscale quantum chemical approaches to QSAR modeling and drug design; By: De Benedetti, Pier G.; Fanelli, Francesca; DRUG DISCOVERY TODAY Volume: 19 Issue: 12 Pages: 1921-1927 Published: DEC 2014
  • Multiscale modeling of dorsoventral patterning in Drosophila; By: MacNamara, Shev; SEMINARS IN CELL & DEVELOPMENTAL BIOLOGY Volume: 35 Pages: 82-89 Published: NOV 2014
  • Catalytic control in terpenoid cyclases: multiscale modeling of thermodynamic, kinetic, and dynamic effects; By: Major, Dan Thomas; Freud, Yehoshua; Weitman, Michal; CURRENT OPINION IN CHEMICAL BIOLOGY Volume: 21 Pages: 25-33 Published: AUG 2014
  • Catalytic Olefin Polymerization Process Modeling: Multi-Scale Approach and Modeling Guidelines for Micro-Scale/Kinetic Modeling; By: Touloupidis, Vasileios; MACROMOLECULAR REACTION ENGINEERING Volume: 8 Issue: 7 Pages: 508-527 Published: JUL 2014
  • Towards multiscale modelling of localised corrosion; By: Gunasegaram, D. R.; Venkatraman, M. S.; Cole, I. S.; INTERNATIONAL MATERIALS REVIEWS Volume: 59 Issue: 2 Pages: 84-114 Published: FEB 2014
  • Realistic multisite lattice-gas modeling and KMC simulation of catalytic surface reactions: Kinetics and multiscale spatial behavior for CO-oxidation on metal (100) surfaces; By: Liu, Da-Jiang; Evans, James W.; PROGRESS IN SURFACE SCIENCE Volume: 88 Issue: 4 Pages: 393-521 Published: DEC 2013
  • Multiscale modelling of heterogeneously catalysed transesterification reaction process: an overview; By: Davison, Thomas J.; Okoli, Chinedu; Wilson, Karen; et al.; RSC ADVANCES Volume: 3 Issue: 18 Pages: 6226-6240 Published: 2013
  • Multiscale Aspects of Modeling Gas-Phase Nanoparticle Synthesis; By: Buesser, Beat; Groehn, Arto J.; CHEMICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY Volume: 35 Issue: 7 Special Issue: SI Pages: 1133-1143 Published: JUL 2012
  • Multiscale models of thrombogenesis; By: Xu, Zhiliang; Kim, Oleg; Kamocka, Malgorzata; et al.; WILEY INTERDISCIPLINARY REVIEWS-SYSTEMS BIOLOGY AND MEDICINE Volume: 4 Issue: 3 Pages: 237-246 Published: MAY-JUN 2012
  • Multiscale Modeling for Host-Guest Chemistry of Dendrimers in Solution; By: Kim, Seung Ha; Lamm, Monica H.; POLYMERS Volume: 4 Issue: 1 Pages: 463-485 Published: MAR 2012
  • Multi-Scale Modeling of Tissues Using CompuCell3D; By: Swat, Maciej H.; Thomas, Gilberto L.; Belmonte, Julio M.; et al.; Edited by: Asthagiri, AR; Arkin, AP; COMPUTATIONAL METHODS IN CELL BIOLOGY Book Series: Methods in Cell Biology Volume: 110 Pages: 325-366 Published: 2012
  • Multiscale Modelling in Computational Heterogeneous Catalysis; By: Keil, F. J.; Edited by: Kirchner, B; Vrabec, J; MULTISCALE MOLECULAR METHODS IN APPLIED CHEMISTRY Book Series: Topics in Current Chemistry-Series Volume: 307 Pages: 69-107 Published: 2012
  • Multi-scale modeling in biology: How to bridge the gaps between scales?; By: Qu, Zhilin; Garfinkel, Alan; Weiss, James N.; et al.; PROGRESS IN BIOPHYSICS & MOLECULAR BIOLOGY Volume: 107 Issue: 1 Pages: 21-31 Published: OCT 2011
  • A review of multiscale modeling of metal-catalyzed reactions: Mechanism development for complexity and emergent behavior; By: Salciccioli, M.; Stamatakis, M.; Caratzoulas, S.; et al.; CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE Volume: 66 Issue: 19 Special Issue: SI Pages: 4319-4355 Published: OCT 1 2011
  • Review on modeling development for multiscale chemical reactions coupled transport phenomena in solid oxide fuel cells; By: Andersson, Martin; Yuan, Jinliang; Sunden, Bengt; APPLIED ENERGY Volume: 87 Issue: 5 Pages: 1461-1476 Published: MAY 2010
  • A review of multiscale CFD for gas-solid CFB modeling; By: Wang, Wei; Lu, Bona; Zhang, Nan; et al.; INTERNATIONAL JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW Volume: 36 Issue: 2 Special Issue: SI Pages: 109-118 Published: FEB 2010
  • Multiscale Modelling: the role of helium in iron; By: Samaras, Maria; MATERIALS TODAY Volume: 12 Issue: 11 Pages: 46-53 Published: NOV 2009
  • Multi-scale solid oxide fuel cell materials modeling; By: Kim, Ji Hoon; Liu, Wing Kam; Lee, Christopher; COMPUTATIONAL MECHANICS Volume: 44 Issue: 5 Pages: 683-703 Published: OCT 2009
  • Multiscale models for vertebrate limb development; By: Newman, Stuart A.; Christley, Scott; Glimm, Tilmann; et al.; Edited by: Schnell, S; Maini, PK; Newman, SA; et al.; Conference: 9th Biocomplexity Workshop Location: Bloomington, IN Date: MAY, 2006; MULTISCALE MODELING OF DEVELOPMENTAL SYSTEMS Book Series: Current Topics in Developmental Biology Volume: 81 Pages: 311-+ Published: 2008
  • A multiscale theoretical model for diffusive mass transfer in cellular biological media; By: Kapellos, George E.; Alexiou, Terpsichori S.; Payatakes, Alkiviades C.; MATHEMATICAL BIOSCIENCES Volume: 210 Issue: 1 Pages: 177-237 Published: NOV 2007
  • Predictive oncology: A review of multidisciplinary, multiscale in silico modeling linking phenotype, morphology and growth; By: Sanga, Sandeep; Frieboes, Hermann B.; Zheng, Xiaoming; et al.; NEUROIMAGE Volume: 37 Supplement: 1 Pages: S120-S134 Published: 2007
  • Review of multiscale modeling of detonation; By: Powers, Joseph M.; JOURNAL OF PROPULSION AND POWER Volume: 22 Issue: 6 Pages: 1217-1229 Published: NOV-DEC 2006
  • Review of the governing equations, computational algorithms, and other components of the models-3 Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeling system; By: Byun, Daewon; Schere, Kenneth L.; APPLIED MECHANICS REVIEWS Volume: 59 Issue: 1-6 Pages: 51-77 Published: 2006
  • Multi-scale molecular modeling of chemical reactivity; By: Santiso, EE; Gubbins, KE; MOLECULAR SIMULATION Volume: 30 Issue: 11-12 Pages: 699-748 Published: SEP-OCT 2004
  • Recent developments on multiscale, hierarchical modeling of chemical reactors; By: Raimondeau, S; Vlachos, DG; CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL Volume: 90 Issue: 1-2 Pages: 3-23 Article Number: PII S1385-8947(02)00065-7 Published: NOV 28 2002
  • Multiscale modeling of thin film growth; By: Jensen, KF; Rodgers, ST; Venkataramani, R; CURRENT OPINION IN SOLID STATE & MATERIALS SCIENCE Volume: 3 Issue: 6 Pages: 562-569 Published: DEC 1998

Načini ocenjevanja

Prvi način ocenjevanja bomo izvajali z izpitom, ki bo sledil predavanjem (L). Drugi način ocenjevanja bo osnovan na neposrednem delu študentov, zasnovanem kot vodeni projekti, laboratorijske in terenske vaje (T). Pa vendar bo največji del ocene osnovan na samostojnem delu študentov, ki se bo zaključilo s seminarjem (S) s področja modeliranja materialov. 30 (L)/30 (T)/40 (S)

Reference nosilca

Pridr. Prof. Dr. Miha Grilc (asistent z doktoratom, pridruženi profesor, vodja skupine znotraj odseka) je od 2015 vodja delovne skupine za pretvorbo biomase na Odseku za katalizo in reakcijsko inženirstvo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. Diplomiral je iz kemijskega inženirstva leta 2011 in doktoriral (prav tako iz kemijskega inženirstva) leta 2015 na Univerzi v Ljubljani. Za diplomsko delo je prejel fakultetno Prešernovo nagrado, za doktorsko delo pa nagrado za Zlati znak Jožefa Stefana. Znanstveno kariero je začel leta 2011 kot mladi raziskovalec na Kemijskem inštitutu v Ljubljani pod mentorstvom Akad. Prof. Dr. Janeza Levca. Je član Kemijskega Inštituta, kjer dela kot asistent z doktoratom in je vpet v številne raziskovalne projekte. Njegove veščine so modeliranje kemijske kinetike, transportnih pojavov in toka tekočin v večfaznih katalitskih kontaktorjih (reaktorjih). Največkrat je obravnaval katalitske sisteme v okviru pretvorbe biomase v goriva in kemikalije ter na področju pretvorb NOx emisij. Leta 2017 in 2018 je bil na Univerzi v Leipzigu (Institut für Technische Chemie) 12 mesecev zaposlen kot specialist za modeliranje DeNOx sistemov v avtomobilski industriji. Do septembra leta 2019 je objavil 28 znanstvenih člankov, ki so zbrali 523 citatov (vir Sicris, dne 5.9.2019).

Ključne besede znanstvenih področij: kemijsko inženirstvo; reakcijsko inženirstvo; reaktorsko inženirstvo; heterogena kataliza; izboljševanje obratovanja; združevanje enot; pretvorba; več-ravenski popisi; teorija gostotnega funkcionala; kinetični Monte Carlo; računska dinamika tekočin; ravnotežja; reakcijska kinetika; mikro-kinetika; transportni pojavi; prenos toplote; prenos snovi; mehanika tekočin; enotne operacije; ločevanje.

1. BJELIĆ, Ana, GRILC, Miha, LIKOZAR, Blaž. Catalytic hydrogenation and hydrodeoxygenation of lignin-derived model compound eugenol over Ru/C: intrinsic microkinetics and transport phenomena. The chemical engineering journal, ISSN 1385-8947, Feb. 2018, vol. 333, 240-259. Faktor vpliva: 8.36.

2. GRILC, Miha, LIKOZAR, Blaž. Levulinic acid hydrodeoxygenation, decarboxylation and oligmerization over NiMo/Al2O3 catalyst to bio-based value-added chemicals: modelling of mass transfer, thermodynamics and micro-kinetics. Chemical engineering journal, Dec. 2017, 330, 383-397.

Faktor vpliva: 6.73.

3. HOČEVAR, Brigita, GRILC, Miha, HUŠ, Matej, LIKOZAR, Blaž. Mechanism, ab initio calculations and microkinetics of hydrogenation, hydrodeoxygenation, double bond migration and cis-trans isomerisation during hydrotreatment of C6 secondary alcohol species and ketones. Applied catalysis. B, Environmental, ISSN 0926-3373, Dec. 2017, vol. 218, 147-162.

Faktor vpliva: 11.70.

4. GRILC, Miha, VERYASOV, Gleb, LIKOZAR, Blaž, JESIH, Adolf, LEVEC, Janez. Hydrodeoxygenation of solvolysed lignocellulosic biomass by unsupported MoS2, MoO2, Mo2C and WS2 catalysts. Applied catalysis. B, Environmental, ISSN 0926-3373, Feb. 2015, vol. 163, str. 467-477. IF=8.33

Faktor vpliva: 8.33.

5. GRILC, Miha, LIKOZAR, Blaž, LEVEC, Janez. Hydrodeoxygenation and hydrocracking of solvolysed lignocellulosic biomass by oxide, reduced and sulphide form of NiMo, Ni, Mo and Pd catalysts. Applied catalysis. B, Environmental, ISSN 0926-3373, May 2014, vol. 150/151, str. 275-287. IF=7.44

Faktor vpliva: 7.44.

Univerzitetna koda predmeta: 3MAi10

Letnik: 1

Predavatelj:

ECTS: 12

Obseg:

  • Predavanja: 20 ur
  • Vaje: 40 ur
  • Seminar: 20 ur
  • Samostojno delo: 280 ur

Vrsta predmeta: izbirni

Jeziki: slovenski, angleški

Metode poučevanja in učenja:
predvidene metode poučevanja, učenja in sodelovanja bodo obsegale predavanja (1), samostojni projekti (2), pa tudi poučevalne seminarske (3), laboratorijske (4) in terenske (5) vaje ter samostojno delo študentov (6) pri popisih. znanost, postopki in orodja računskih popisov bodo predstavljena ex cathedra, neposredno in z uporabo različnih meritev. predavatelj, raziskovalci in študenti bodo vključeni sodelujoče.