Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-27T17:09:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_RodolfoPaula_M.pdf: 4064445 bytes, checksum: 15e944e3607ec0d3b8cb66d00b6ea4f3 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho, apresentamos um estudo a respeito do modelo de Uhlenbeck-Ford como um sistema de referencia para calculos de energia livre de sistemas na fase fluida, utilizando metodos de simulacao molecular. Este sistema artificial, que e caracterizado por um potencial puramente repulsivo e que diverge rapidamente, foi originalmente proposto como um modelo para o estudo teorico de gases imperfeitos. Este modelo foi motivado pelo fato de que todas as integrais de muitos corpos, envolvidas no calculo dos coeficientes viriais, podem ser facilmente calculadas analiticamente. Entretanto apenas oito coeficientes eram conhecidos. Dois novos coeficientes (..10 e ..11) foram determinados para o modelo neste trabalho, alem de uma expressao essencialmente exata para a equacao de estado e energia livre de Helmholtz em funcao de um parametro adimensional. Este nos permitira reunir todas as informacoes a respeito da energia livre do sistema em uma unica expressao, independentemente da escolha de parametros do potencial. Por fim, exploraremos a aplicabilidade deste modelo como um sistema de referencia para calculos de energia livre de sistemas na fase fluida, usando tecnicas de simulacao molecular a partir de processos fora de equilibrio. Nossos resultados para o fluido de Lennard-Jones e para o silicio liquido, descrito pelo potencial de Stillinger-Weber, demonstraram que o modelo de Uhlenbeck-Ford servira como um sistema de referencia para o calculo de energia livre de sistemas na fase fluida / Abstract: In this work, we present a study of the Uhlenbeck-Ford model as a reference system for freeenergy calculations of fluid-phase systems by molecular simulation methods. This artificial system, which is characterized by a rapidly-decaying purely repulsive potential, was originally proposed as a model for the theoretical study of imperfect gases, enabled by the fact that all the many-center integrals involved in the virial coefficients can be easily computed analytically. Although only eight coefficients were known. Two new coefficients (..10 e ..11) were determined for the model in this work, in addition to an essentially accurate expression to the equation of state and Helmholtz free-energy as a function of a dimensionless parameter. This will allow us to gather all information regarding the system of free-energy in a single expression, regardless of the choice of potential parameters. In the end, we explore the applicability of this model as a reference system for free-energy calculations of fluid-phase systems, using non equilibrium process with molecular simulation techniques. Our results for thevLennard-Jones fluid and liquid silicon, described by Stillinger-Weber potential, demonstrate that the Uhlenbeck-Ford model can be used as a reference system for free-energy calculations of fluid-phase systems / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-31T00:11:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SantosFlorez_PedroAntonio_M.pdf: 3560756 bytes, checksum: 596fa8433415493ec218ee7c185319ea (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: O modelo de Uhlenbeck-Ford, que é um sistema artificial caracterizado por um potencial interatômico logarítmico e repulsivo, foi definido originalmente para o estudo teórico de gases imperfeitos, baseado no fato de que todas as integrais de muitos corpos, envolvidas no cálculo de coeficientes viriais, podem ser calculadas analiticamente. Assim, este modelo possui uma expressão exata para a equação de estado e a energia livre de Helmholtz na fase fluida. Um potencial escalonado deste modelo já foi proposto como sistema de referência na implementação de métodos de simulação atomística, para cálculos de energia livre de sistemas na fase fluida. Neste trabalho, é construído o diagrama de fase do modelo de Uhlenbeck-Ford dependente deste fator de escalonamento, delimitando as fases fluida e sólida, com estruturas cristalinas (BCC e FCC). A estabilidade das diferentes fases foi estudada analisando as curvas de energia livre, que foram obtidas utilizando a técnica de simulação atomística da Dinâmica Molecular a partir de processos fora do equilíbrio. Nossos resultados mostraram que existem regiões para qualquer densidade onde a fase fluida é a mais estável, e portanto, o modelo de Uhlenbeck-Ford pode ser usado como sistema de referência para cálculos de energia livre de sistemas na fase fluida / Abstract: The Uhlenbeck-Ford model, which is an artificial system characterized by a logarithmic and repulsive interatomic potential, was originally defined for the theoretical study of imperfect gases, based on the fact that all the many-body integrals, involved in calculating virial coefficients, can be calculated analytically. Thus, this model has an exact expression for the equation of state and the Helmholtz free energy in the fluid phase. A modified potential by a scale factor of this model was proposed as a reference system in the implementation of atomistic simulation methods for free energy calculation in the fluid phase. In this paper, we construct the phase diagram of the Uhlenbeck-Ford model dependent on a scale factor, finding the coexistence lines between fluid and solid phases, with crystalline structures (BCC and FCC). The stability of the different phases was studied by analyzing the free energy curves, which were obtained using the atomistic simulation technique of Molecular Dynamics, using nonequilibrium processes. Our results show that for any density, there exist regions in which the fluid phase is the most stable and therefore the Uhlenbeck-Ford model can be used as a reference system for free energy calculations of systems in the fluid phase / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1370441/2014 / CAPES

Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T00:50:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_RodrigoMoura_M.pdf: 11496259 bytes, checksum: 41c29f22d80da01064cf7a3b9681b05f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Devido aos avanços conceptuais e técnicos feitos em física computacional e ciência dos materiais computacional nos estamos aptos a resolver problemas que eram inacessíveis a alguns anos atrás. Nessa dissertação estudamos a evolução de alguma destas técnicas, apresentando a teoria e técnicas de simulação computacional para estudar transições de fase de primeira ordem com ênfase nas técnicas mais avançadas de calculo de energia livre (Reversible Scaling) e métodos de simulação de eventos raros (Forward Flux Sampling) usando a técnica de simulação atomística da Dinâmica Molecular. A evolução e melhora da e ciência destas técnicas e apresentada junto com aplicações a sistemas simples que permitem solução exata e também ao caso mais complexo da transição de fase Martenstica. Também apresentamos a aplicação de métodos numéricos no estudo do modelo de Pauling para o gelo. Nos desenvolvemos e implementamos um novo algoritmo para a criação e ciente de estruturas de gelo desordenadas. Este algoritmo de geração de cristais de gelo nos permitiu criar células de gelo Ih de tamanhos que não eram possíveis antes. Usando este algoritmo abordamos o problema de efeitos de tamanho finito não estudados anteriormente / Abstract: Due to the conceptual and technical advances being made in computational physics and computational materials science we have been able to tackle problems that were inaccessible a few years ago. In this dissertation we study the evolution of some of these techniques, presenting the theory and simulation methods to study _rst order phase transitions with emphasis on state-of-the-art free-energy calculation (Reversible Scaling) and rare event (Forward Flux Sampling) methods using the atomistic simulation technique of Molecular Dynamics. The evolution and efficiency improvement of these techniques is presented together with applications to simple systems that allow exact solution as well as the more the complex case of Martensitic phase transitions. We also present the application of numerical methods to study Pauling\'s model of ice. We have developed and implemented a new algorithm for efficient generation of disordered ice structures. This ice generator algorithm allows us to create ice Ih cells of sizes not reported before. Using this algorithm we address finite size effects not studied before / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T22:54:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Brito_BraulioGabrielAlencar_D.pdf: 3210920 bytes, checksum: 1140e372f96bf86f5f06d96119eeb8e7 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho apresentaremos a extensão dos métodos adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS) e integração dinâmica de Clausius-Clapeyron (d-CCI) para o formalismo de integral de tragetória. Desenvolvemos programas de Monte Carlo de integrais de trajetória (PIMC) para implementar esses métodos a fim de incluir efeitos quânticos nos cálculos das energias livres e na determinação das curvas de coexistência de fase de sistemas a baixa temperatura. Aplicamos as aproximações primitivas e Li-broughton para a ação para escrever as matrizes densidade de alta temperatura dos sistemas estudados. Calculamos a curva de fusão do neônio utilizando o método de integração dinâmica de Clausius-Clapeyron quantico (q-dCCI) e comparamos nossos resultados com resultados encontrados na literatura. Determinamos a curva de coexistência diamante-grafite utilizando o potencial AIREBO e os métodos AS, RS e q-dCCI. Estudamos os efeitos da pressão sobre algumas propriedades termodinâmicas do grafite e do grafeno e a diversas temperaturas aplicando método PIMC juntamente dos métodos AS e RS / Abstract: In this work we present the extension of the methods adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS), dynamical Clausius-Clapeyron integration (d-CCI) within the path integral formalism. We developed Path Integral Monte Carlo computer codes to implement these methods in order to include quantum effects in the calculation of free energies and in the determination of the phase coexistence curves of systems at low temperature. We applied the primitive and Li-Broughton approximations to the action to write the high temperature density matrices of the systems we studied. We calculated the melting curve of the neon using the quantum dynamical Clausius-Clapeyron (q-dCCI) and compare our results with results found at the literature. We determined the diamond-graphite coexistence curve using the AIREBO inter-atomic potential and the AS, RS e q-dCCI methods. We studied the pressure effects on some thermodynamic properties of the graphite and graphene at several temperatures using the method PIMC together with the AS and RS methods / Doutorado / Física / Doutor em Ciências