Počítačové modelování ve fyzice

O jaký obor se jedná?

Jedná se o interdisciplinární studijní obor zahrnující pomezí počítačového modelování a aplikované fyziky.

Proč tento obor vznikl?

Jeho koncepce představuje reakci na masivní průnik výpočetní techniky a počítačového modelování prakticky do všech oblastí lidské činnosti sahajících od základního výzkumu přes výzkum aplikovaný až k aplikacím technologickým. Počítačové modelování a simulace mohou totiž v současnosti směle konkurovat experimentu, a to při mnohem příznivějších finančních nákladech.

Proč jsou absolventi takového oboru potřební?

Speciálně nedávný vývoj v oblasti technologií (viz např. bouřlivě se rozvíjející nanotechnologie) naznačuje, že v dohledné době bude zapotřebí dostatečný počet kvalifikovaných pracovníků orientujících se jak v základech fyziky, tak i matematického modelování, kteří budou schopni ve spolupráci s odborníky fyziky, chemiky či technology počítačové modely vytvářet, realizovat v simulacích a v závěru interpretovat a přehledně prezentovat získaná data. Absolventi budou schopni uplatnit získané znalosti matematiky, fyziky a fyzikální chemie kdekoliv v aplikacích reálného života, zejména v průmyslu, technice a informatice. Budou umět použít informační technologie k nejrůznějším numerickým a symbolickým výpočtům, k vytvoření počítačových simulací fyzikálních i jiných procesů, k pokročilému zobrazení a prezentaci numerických dat. Konkrétní uplatnění naleznou absolventi ve zkušebních, metrologických a výzkumných laboratořích, na pracovištích základního fyzikálního a chemického výzkumu, na pracovištích Akademie věd ČR a na vysokých školách, v laboratořích aplikovaného výzkumu a vývoje zejména v chemickém, elektrotechnickém, farmaceutickém a strojírenském průmyslu. Je samozřejmé, že absolventi získají dostatečný základ ke studiu široké škály navazujících magisterských oborů.

Jedná se pouze o studium fyziky?

Ne. Obor je primárně zaměřen na využití široké škály výpočetních prostředků v počítačovém modelování ve fyzice a příbuzných oblastech. Tyto výpočetní prostředky v současnosti zahrnují celou škálu mezi softwarových nástrojů, mezi něž patří na jedné straně speciální výpočetní softwarové balíky s příjemným grafickým uživatelským rozhraním, na straně druhé vyšší programovací jazyky.

Čemu se bude nezbytné naučit?

Jeho absolvent získá v průběhu studia dovednosti v oblasti počítačového modelování fyzikálních procesů (včetně obsluhy výpočetních prostředků na úrovni operačního systému, všeobecného i speciálního software a základů programování). Samozřejmě je potřebné zvládnutí základů fyziky na úrovni nezbytné ke komunikaci se specialisty – techniky či fyziky při vytváření numerických modelů fyzikálních jevů a procesů z oblasti technických aplikací nebo výzkumu. Důraz je také položen na dobrou jazykovou průpravu nezbytnou pro efektivní uplatnění po ukončení studia.

Co po ukončení studia?

Předpokládané uplatnění je v pozici asistenta (laboranta), který bude schopen ve spolupráci se specialisty – fyziky či technology – připravit a provést počítačové modelování fyzikálních procesů a prezentovat získaná data. Kmenová výbava umožní absolventovi oboru zpracovat funkční a efektivní numerické modely (ať již pomocí dostupných softwarových produktů, tak i ve formě vlastních programů), jejich provedení prostřednictvím výpočetních prostředků provozovaných pod různými operačními systémy a prezentovat výsledky modelování v uživatelsky přístupné formě. Díky odbornému vzdělání bude absolvent schopen vést efektivní komunikaci se specialisty ve fyzikálních a technických oborech a plně postihnout podstatu řešených problémů. Kromě výše uvedeného uplatnění bude absolvent připraven rozšířit si své odborné vzdělání v rámci navazujícího magisterského studia fyziky (resp. i dalších příbuzných oborů).

Jak lze ovlivnit v průběhu studia jeho zaměření?

Při studiu oboru vychází typický student z doporučeného studijního plánu, zaměření studia je ovšem možné profilovat výběrem volitelných předmětů. V současné době je prosazována zásada horizontální prostupnosti oborů. Je tedy možné i změnit studijní obor, při započtení tzv. kreditů za získané zápočty a úspěšně vykonané zkoušky. Pochopitelně je při tom nezbytné respektovat rozdílnou skladbu povinných předmětů příslušných oborů.

Na čem zajímavém lze pracovat?

Přímo na Ostravské univerzitě existuje na katedře fyziky skupina fyziky klastrů. Jako téma SVOČ či bakalářské práce si je možné vybrat některý z problémů, který zapadá do oblasti vědeckého výzkumu této skupiny. Samozřejmě je si možné vybrat i problémy z jiných oblastí (nejen fyzika ale i chemie a biofyzika či biologie, případně průmyslové aplikace).

Co to jsou klastry?

Klastry jsou shluky atomů či molekul, které svou povahou patří někam na rozhraní mezi mikrosvětem izolovaných atomů a malých molekul a makrosvětem kondenzované fáze. Počet částic, které obvykle takový shluk tvoří, bývá v rozmezí několika mála jednotek až několika stovek miliónů. Klastry mohou být složeny z atomů či molekul jednoho typu (klastry zlata Au_N, stříbra Ag_N či rtuti Hg_N, klastry vody ([H₂O]_N nebo proslulé klastry uhlíku, fullereny, C_N), mohou ale též obsahovat atomy a molekuly typů různých (Na_NCl_M).

Vázány mohou být prostřednictvím silné kovalentní (klastry křemíku či uhlíku), kovové (např. klastry zlata či sodíku) či iontové vazby (klastry NaCl), známe ale i příklady klastrů, jejichž konstituenty drží pohromadě velmi slabá, disperzní interakce (např. klastry vzácných plynů). Klastry mohou být buď neutrální, nebo i kladně či záporně nabité. Bohatství říše klastrů je prostě v mnoha ohledech nezměrné. Jednou z nejzajímavějších, a dodnes ne zcela rozřešených otázek je, jak se vlastnosti klastrů různých typů mění s rostoucím počtem částic, kterými jsou tvořeny. Na jedné straně pomyslné spojnice jsou malé klastry, v nichž si atomy či molekuly zachovávají do značné míry své individuální vlastnosti, na druhé straně je makroskopická tekutina či krystalická látka, ve které se individualita atomů a molekul zcela ztrácí ve prospěch mnohohlavého kolektivu. Je konvergence strukturních, elektronických či např. termodynamických vlastností při přechodu od malých klastrů k makroskopické limitě hladká, monotónní, či nikoliv? Odpověď na položenou otázku není jednoznačná. Pro velké klastry je kladná, pro klastry malé (desítky, stovky či tisíce částic) spíše záporná. A právě tato okolnost činí z klastrů pozoruhodné objekty.

Klastry jsou zajímavé i z hlediska jejich uplatnění v technice – zejména v oblasti tzv. nanotechnologií, které představují metody na konstrukci malých objektů (na úrovni nanometrů) se speciálními chemickými a fyzikálními vlastnostmi.

Čím konkrétně se zabývá skupina fyziky klastrů?

Mezi klastry různých typů představovaly vždy klastry vzácných plynů (Rg_n, Rg = He, Ne, Ar, Kr, Xe) jakousi modelovou laboratoř. Z pohledu teoretika je pochopitelnou příčinou tohoto stavu poměrně snadný popis interakcí působících mezi atomy vzácných plynů, a to při zachování vysoké přesnosti získávaných dat. Rovněž výpočetní jednoduchost interakčních modelů formulovaných pro vzácné plyny není zanedbatelnou výhodou, uvědomíme-li si, že naprostou většinu teoretických dat o klastrech získáváme pomocí počítačových simulací. Klastry vzácných plynů jsou zkoumány intenzivně již po více než tři desetiletí a zájem o ně neopadá zcela ani dnes. Zejména v posledních deseti létech byla věnována velká pozornost iontovým klastrům vzácných plynů, přesněji jednou ionizovaným klastrům Rg_n⁺.

He17+

I v jejich případě je možno formulovat poměrně jednoduchý a výpočetně nenáročný interakční model, rozmanitost vlastností iontových klastrů je přece ale jen oproti klastrům neutrálním mnohem bohatější. Skupina fyziky klastrů na Ostravské univerzitě publikovala řadu významných výsledků z oblasti fyziky klastrů vzácných plynů: studium rovnovážných struktur – (tj. jak jsou atomy v klastru uspořádány, problém tzv. magických čísel (klastry s určitými počty atomů jsou stabilnější než jiné), fotoabsorbce (chování klastrů po pohlcení fotonu), fragmentace po ionizaci (rozpady klasrů po odtržení elektronu z klastru). Skupina spoluprácuje s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (I. Paidarová) a s Ústavem pro výzkum atomových systémů a molekulárních komplexů (Institute de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moleculaires Complexes) Univerzity P. Sabatiera v Toulouse (F. X. Gadéa). V současné době začaly výzkumné práce věnované klastrům vody.