---
title: "Hóa học và vật liệu · Mô phỏng · Giả thuyết mô phỏng"
url: https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/chemistry-materials
description: "Electron, liên kết, chất lỏng, tinh thể và đứt gãy: hành vi của vật chất trước khi nó được tổng hợp."
license: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
credit: "Ross Allan Dahl, Giả thuyết mô phỏng (simulation-hypothesis.com)"
---

[Mô phỏng](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations)lĩnh vực 4 trên 18

# Hóa học và vật liệu

Electron, liên kết, chất lỏng, tinh thể và đứt gãy: hành vi của vật chất trước khi nó được tổng hợp.

Vật liệu và phản ứng có thể được mô phỏng trước khi tạo ra: electron cho hóa học, nguyên tử cho cơ học, hạt cho vi cấu trúc. Hóa học tính toán là một trong những nơi tiêu thụ thời gian siêu máy tính nhiều nhất.

## Electron và liên kết

### Cấu trúc điện tử

Các electron của một phân tử hay tinh thể, được giải từ cơ học lượng tử để có hình dạng, năng lượng và màu sắc.

Câu hỏi nó trả lời: Phân tử này có ổn định không, và nó có màu gì?

Bỏ qua: Bài toán nhiều electron lượng tử chính xác không giải được, nên mọi phương pháp đều dựa vào một phép gần đúng ở đâu đó.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài giờ đến vài ngày cho mỗi phân tử hoặc tinh thể. Từ: 1953 các phép tính Hartree-Fock đời đầu chạy trên một số máy tính đầu tiên.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Động lực học phản ứng

Các liên kết đứt và hình thành trong một phản ứng hóa học, thường với phần lõi phản ứng được xử lý lượng tử và phần xung quanh được xử lý cổ điển.

Câu hỏi nó trả lời: Phản ứng đi theo con đường nào, và nhanh đến đâu?

Bỏ qua: Ranh giới giữa lõi lượng tử và phần xung quanh cổ điển là một lựa chọn mô hình hóa, không phải một đường thật.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài ngày cho mỗi phản ứng được nghiên cứu. Từ: 1976 Mô hình phản ứng kết hợp lượng tử và cổ điển đầu tiên của Warshel và Levitt.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Nguyên tử

### Sàng lọc vật liệu bằng tính toán

Hàng nghìn hợp chất ứng viên được tính tự động, đôi khi với các lối tắt học được, để tìm những chất có tính chất hữu ích.

Câu hỏi nó trả lời: Trong mười nghìn ứng viên này, ứng viên nào sẽ làm pin hoặc pin mặt trời tốt hơn?

Bỏ qua: Lọc các ứng viên theo những tính chất dễ tính, vốn không phải lúc nào cũng là những tính chất quan trọng cho việc chế tạo vật liệu.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn, chạy song song hàng nghìn phép tính. Từ: 2006 các phép tính thông lượng cao đời đầu sàng lọc vật liệu ứng viên.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)nền: Nguyên tử

### Trạng thái kích thích và quang hóa học

Một phân tử sau khi hấp thụ một photon, được tính khi nó hồi phục, xoắn lại hoặc vỡ ra trên một mặt năng lượng khác với trạng thái cơ bản.

Câu hỏi nó trả lời: Phân tử này làm gì trong khoảnh khắc sau khi hấp thụ ánh sáng?

Bỏ qua: Các phương pháp trạng thái kích thích kém đáng tin hơn các phương pháp trạng thái cơ bản, và những phương pháp rẻ nhất có thể sai hoàn toàn.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài giờ đến vài ngày cho mỗi phân tử. Từ: 1984 các phép tính hóa học lượng tử phụ thuộc thời gian đời đầu về phân tử bị kích thích.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Dự đoán quang phổ

Hạt nhân và electron của một phân tử được tính để dự đoán các vạch cộng hưởng từ, hồng ngoại hay vạch phổ khác của nó sẽ rơi vào đâu, rồi đối chiếu với phổ đã đo.

Câu hỏi nó trả lời: Phổ tính ra này có khớp với những gì dụng cụ thực sự ghi nhận, xác nhận cấu trúc không?

Bỏ qua: Kém đi rõ rệt với các nguyên tử nặng hơn và phân tử linh hoạt hơn, chính những thứ quan trọng nhất trong thực tế.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi phân tử. Từ: 1974 các độ dịch chuyển cộng hưởng từ hạt nhân tính toán đời đầu được so với phổ đã đo.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Năng lượng tự do solvat hóa

Các electron của một phân tử được tính lại như thể nó nằm trong một phép gần đúng liên tục của dung môi, để biết hòa tan nó tốn hay giải phóng bao nhiêu năng lượng.

Câu hỏi nó trả lời: Phân tử này sẽ hòa tan dễ đến mức nào, và dung môi có làm thay đổi cách nó phản ứng không?

Bỏ qua: Thay dung môi bằng một trường trung bình trơn, bỏ qua các tương tác đặc thù như liên kết hydro với một phân tử nước riêng lẻ ở một vị trí then chốt.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài phút đến vài giờ cho mỗi phân tử. Từ: 1981 các mô hình solvat hóa liên tục đời đầu được thêm vào các phép tính hóa học lượng tử.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Thế liên nguyên tử học máy

Một mạng nơ-ron được khớp với các năng lượng cấu trúc điện tử rồi điều khiển động lực học phân tử với độ chính xác gần lượng tử mà chi phí chỉ như cổ điển.

Câu hỏi nó trả lời: Có thể có lực ở mức lượng tử cho hàng triệu nguyên tử trong hàng nano giây không?

Bỏ qua: Độ chính xác bị giới hạn ở các hóa chất và hình học có trong tập huấn luyện.

Chạy trên: khoảng 10^17 FLOPS sơ lược Huấn luyện trên hàng nghìn phép tính lượng tử, rồi chạy MD lớn Từ: 2007 Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces (2007) [nguồn](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.146401) Trong cây mô phỏng: [Các mô hình thay thế học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/trees/simulations?n=m-learned)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Nguyên tử

### Thế năng liên nguyên tử phổ quát

Một mạng nơ-ron đồ thị duy nhất huấn luyện trên một cơ sở dữ liệu vật liệu lớn dự đoán năng lượng và lực cho hầu hết bảng tuần hoàn.

Câu hỏi nó trả lời: Một mô hình học được có thể thay cho một thế năng riêng được khớp cho từng vật liệu không?

Bỏ qua: Độ chính xác thay đổi theo nguyên tố và thường làm mềm bề mặt thế năng.

Chạy trên: khoảng 10^17 FLOPS sơ lược Huấn luyện trên hàng triệu cấu trúc, suy luận chi phí thấp Từ: 2022 A universal graph deep learning interatomic potential for the periodic table (2022) [nguồn](https://arxiv.org/abs/2202.02450)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)nền: Nguyên tử

### Hóa học lượng tử trên máy tính lượng tử

Một thuật toán lượng tử biến phân chuẩn bị và đo trạng thái điện tử của một phân tử trên một thiết bị thật, với một bộ tối ưu cổ điển tinh chỉnh mạch.

Câu hỏi nó trả lời: Một bộ xử lý lượng tử có thể tìm năng lượng trạng thái cơ bản của một phân tử nhỏ không?

Bỏ qua: Cho đến nay chỉ có những phân tử rất nhỏ, với nhiễu chi phối sai số.

Chạy trên: không có máy tính. Phần cứng lượng tử; kiểm tra cổ điển ở kích thước nhỏ Từ: 2014 A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor (2014) [nguồn](https://doi.org/10.1038/ncomms5213)

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Phân tử

### Động lực học phân tử ab initio

Các nguyên tử chuyển động theo thời gian với lực được tính lại từ các electron ở mỗi bước, nên liên kết đứt và hình thành mà không cần trường lực định sẵn.

Câu hỏi nó trả lời: Các nguyên tử chuyển động và liên kết thế nào khi lực của chúng đến thẳng từ cơ học lượng tử?

Bỏ qua: Chỉ theo dõi được hàng trăm nguyên tử trong vài pico giây, và sai số của hàm mật độ vào mọi lực.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược hàng trăm nguyên tử trong hàng chục pico giây trên một suất cấp phát lớn. Từ: 1985 Cách tiếp cận thống nhất của Car và Parrinello cho động lực học phân tử và lý thuyết phiếm hàm mật độ. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrevlett.55.2471) Trong cây mô phỏng: [Động lực học phân tử ab initio](https://simulation-hypothesis.com/vi/trees/simulations?n=mat-abinitio)

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Nguyên tử

### Động lực học phân tử tích phân đường

Hạt nhân nguyên tử được coi là đối tượng lượng tử bằng cách biểu diễn mỗi hạt nhân thành một vòng các bản sao liên kết, để hiệu ứng đường hầm và chuyển động điểm không làm dịch chuyển liên kết hydro và sự khuếch tán.

Câu hỏi nó trả lời: Hiệu ứng lượng tử của hydro làm thay đổi hành vi của nước và băng bao nhiêu?

Bỏ qua: Hành vi lượng tử thời gian thực không được khôi phục, chỉ có cân bằng và các tính chất động lực học xấp xỉ.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược hàng chục bản sao cho mỗi nguyên tử nhân chi phí của động lực học cổ điển lên nhiều lần. Từ: 1984 Mô phỏng tích phân đường của Parrinello và Rahman về một electron bị giữ trong muối nóng chảy. [nguồn](https://doi.org/10.1063/1.446740)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Nguyên tử

### Động lực học electron thời gian thực

Đám mây electron của một phân tử hay tinh thể được theo dõi theo thời gian khi một xung ánh sáng đập vào, để tìm phổ hấp thụ và đáp ứng cực nhanh.

Câu hỏi nó trả lời: Các electron phản ứng thế nào trong những femto giây đầu tiên sau khi ánh sáng đến?

Bỏ qua: Hàm trao đổi-tương quan gần đúng bỏ sót một số kích thích, và các ion thường được giữ cố định.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược một lần chạy phiếm hàm mật độ theo bước thời gian qua hàng nghìn bước. Từ: 1996 Xấp xỉ mật độ cục bộ phụ thuộc thời gian trong thời gian thực của Yabana và Bertsch. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrevb.54.4484)

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)nền: Nguyên tử

### Động lực học gói sóng lượng tử

Các hạt nhân của một phân tử nhỏ được xử lý như một sóng lượng tử chạy trên bề mặt năng lượng, để theo dõi chính xác phản ứng, hiệu ứng đường hầm và dao động.

Câu hỏi nó trả lời: Một phân tử rung và phản ứng thế nào khi các hạt nhân của nó tuân theo cơ học lượng tử?

Bỏ qua: Chi phí tăng dốc theo số nguyên tử, nên chỉ các phân tử nhỏ là xử lý được.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược lan truyền đa cấu hình cho hàng chục bậc tự do. Từ: 1990 Phương pháp Hartree phụ thuộc thời gian đa cấu hình của Meyer, Manthe và Cederbaum. [nguồn](https://doi.org/10.1016/0009-2614%2890%2987014-i)

[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Phân tử

### Tìm trạng thái chuyển tiếp và đường phản ứng

Con đường năng lượng thấp nhất giữa hai cách sắp xếp nguyên tử được tìm bằng cách làm chùng một chuỗi các ảnh trung gian, để có rào cản phản ứng và tốc độ.

Câu hỏi nó trả lời: Nguyên tử phải vượt qua rào cản nào khi một phân tử hay khuyết tật đổi hình dạng?

Bỏ qua: Nó tìm ra những lối đi tồn tại gần điểm đoán và có thể bỏ sót rào cản thấp nhất thực sự.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược mỗi hình cần một phép tính cấu trúc điện tử, lặp qua cả chuỗi. Từ: 1998 Phương pháp dải đàn hồi đẩy (nudged elastic band) tìm đường năng lượng cực tiểu của Jonsson, Mills và Jacobsen. [nguồn](https://doi.org/10.1142/9789812839664%5F0016)

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Nguyên tử

### Tự động tạo cơ chế phản ứng

Các quy tắc tạo ra mọi phản ứng mà một tập phân tử có thể trải qua, rồi một mô hình tốc độ cắt tỉa chúng thành cơ chế cho quá trình cháy hoặc nhiệt phân.

Câu hỏi nó trả lời: Những phản ứng nào quan trọng khi một nhiên liệu cháy hay phân hủy?

Bỏ qua: Hệ số tốc độ được ước tính từ quy tắc nhóm, và các con đường không phổ biến ít được kiểm tra.

Chạy trên: khoảng 10^8 FLOPS sơ lược sự phát triển mạng trên hàng nghìn loài, cộng với các lần chạy động học. Từ: 1994 Mô hình hóa nhiệt phân do máy tính tạo ra của Broadbelt, Stark và Klein với việc tạo chất và phản ứng ngay trong lúc chạy. [nguồn](https://doi.org/10.1021/ie00028a003)

[Quy tắc và trạng thái](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-rules)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Phân tử

### Monte Carlo lượng tử cho electron

Những “người đi ngẫu nhiên” (random walker) lấy mẫu trực tiếp hàm sóng nhiều electron, cho năng lượng gần chính xác của phân tử và chất rắn mà không cần xấp xỉ hàm mật độ.

Câu hỏi nó trả lời: Năng lượng chính xác của hệ electron này là bao nhiêu, làm chuẩn cho các phương pháp tốn ít tính toán hơn?

Bỏ qua: Vấn đề dấu của fermion được tránh bằng cách cố định các nút của hàm sóng, khiến câu trả lời phụ thuộc vào phỏng đoán đó.

Chạy trên: khoảng 10^17 FLOPS sơ lược hàng triệu giờ lõi cho một tinh thể phân tử. Từ: 1980 Phép tính ngẫu nhiên của Ceperley và Alder về trạng thái cơ bản của khí electron. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrevlett.45.566)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Hàm mật độ học máy

Một mô hình học máy ánh xạ mật độ electron sang năng lượng, thay cho các phép gần đúng dựng tay trong lý thuyết phiếm hàm mật độ.

Câu hỏi nó trả lời: Một phiếm hàm được khớp có thể vượt các phiếm hàm thiết kế tay mà các nhà hóa học dùng hàng chục năm nay không?

Bỏ qua: Hàm được khớp chỉ đáng tin cho những loại phân tử và điều kiện có trong dữ liệu huấn luyện của nó.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược huấn luyện trên các năng lượng tham chiếu độ chính xác cao, rồi chạy cấu trúc điện tử với chi phí chuẩn. Từ: 2012 Các hàm mật độ học máy của Snyder, Rupp, Hansen, Müller và Burke cho một hệ mô hình. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.253002)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Hàm sóng mạng nơ-ron cho phân tử

Một mạng nơ-ron được dùng làm hàm sóng nhiều electron của một phân tử và được huấn luyện bằng Monte Carlo biến phân để đạt năng lượng gần như chính xác.

Câu hỏi nó trả lời: Một hàm sóng do máy học có thể mô tả các electron của một phân tử nhỏ chính xác đến đâu?

Bỏ qua: Chi phí tăng dốc theo số electron, nên mới chỉ đạt tới các phân tử nhỏ.

Chạy trên: khoảng 10^18 FLOPS sơ lược vài ngày trên hàng chục GPU cho một phân tử. Từ: 2019 FermiNet của Pfau và các đồng nghiệp, một lời giải mạng nơ-ron sâu cho phương trình Schrödinger nhiều electron. [nguồn](https://arxiv.org/abs/1909.02487)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

## Phân tử đang chuyển động

### Chất lỏng và dung dịch

Nước và các chất lỏng khác dưới dạng hàng triệu phân tử tương tác, với các chất tan hòa vào đó.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao nước có những tính chất dị thường, và muối hòa tan thế nào?

Bỏ qua: Trường lực giữa các nguyên tử được khớp với một tập nhỏ các tính chất và không đảm bảo tái tạo được phần còn lại.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn; hàng tỷ bước phân tử mỗi giây. Từ: 1964 Động lực học phân tử argon lỏng của Rahman; nước được theo dõi cùng Rahman và Stillinger năm 1971

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Phân tử

### Polyme và vật chất mềm

Các phân tử chuỗi dài, gel, bọt và tinh thể lỏng, thường được thô hóa thành các hạt cầu.

Câu hỏi nó trả lời: Một loại nhựa giãn ra thế nào, và một loại gel đông lại ra sao?

Bỏ qua: Thô hóa bỏ đi chuyển động nguyên tử nhanh, nên thời điểm của một số quá trình chỉ là gần đúng.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi hệ. Từ: 1962 Mô hình Monte Carlo mạng tinh thể thời kỳ đầu của Verdier và Stockmayer cho một chuỗi polyme.

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Phân tử

### Sự cháy

Ngọn lửa như dòng chất lưu ghép với hàng trăm phản ứng hóa học.

Câu hỏi nó trả lời: Làm sao đốt nhiên liệu sạch hơn, hoặc chặn động cơ bị kích nổ?

Bỏ qua: Hàng trăm phản ứng thật được đơn giản hóa còn vài chục phản ứng mà máy tính theo dõi nổi ở mỗi bước.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn, vài ngày cho một chu kỳ động cơ đầy đủ. Từ: 1955 các nghiệm số đời đầu của phương trình ngọn lửa tầng.

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)nền: Trường

### Chất keo và sự lắp ráp hạt nano

Hàng nghìn hạt nano hay hạt keo bị thúc đẩy bởi dao động nhiệt của chất lỏng xung quanh, bám dính, sắp xếp hay kết tụ khi chúng va chạm.

Câu hỏi nó trả lời: Những hạt này sẽ tự lắp ráp thành cấu trúc trật tự, hay kết tụ lộn xộn?

Bỏ qua: Chi tiết của lớp phủ bề mặt hạt ảnh hưởng mạnh đến kết quả và thường được rút gọn thành một tham số bám dính duy nhất.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc GPU máy tính để bàn, vài giờ cho mỗi lần chạy lắp ráp. Từ: 1986 các mô phỏng động lực học Brown đời đầu của hạt keo trong huyền phù.

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Phân tử

### Sự hình thành thủy tinh

Một chất lỏng bị làm lạnh nhanh đến mức trong mô phỏng, các phân tử của nó kẹt lại thành một chất rắn vô trật tự trước khi kịp kết tinh.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao chất lỏng này đóng băng thành thủy tinh vô định hình thay vì tinh thể trật tự?

Bỏ qua: Làm nguội mô phỏng luôn nhanh hơn nhiều bậc độ lớn so với bất kỳ loại thủy tinh thật nào từng được làm nguội.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ đến vài ngày cho mỗi lần chạy. Từ: 1976 các mô phỏng động lực học phân tử đời đầu về một chất lỏng bị làm lạnh nhanh thành thủy tinh.

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Phân tử

### Muối nóng chảy và chất lỏng ion

Ion thay vì phân tử trung hòa, tương tác qua lực Coulomb mạnh trong một chất lỏng hoàn toàn không có dung môi.

Câu hỏi nó trả lời: Chất lỏng này dẫn điện tích tốt đến đâu, và các ion của nó chuyển động ra sao?

Bỏ qua: Các lực tĩnh điện mạnh giữa các ion khó nắm bắt trong trường lực hơn lực của các phân tử trung hòa và thường chỉ được tính gần đúng.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi chất lỏng được nghiên cứu. Từ: 1983 các mô phỏng động lực học phân tử đời đầu về một muối nóng chảy.

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Phân tử

### Động lực học trường lực phản ứng

Động lực học phân tử với thế bậc liên kết cho phép liên kết hình thành và đứt trong lúc chạy, với chi phí thấp hơn nhiều so với phương pháp lượng tử.

Câu hỏi nó trả lời: Các liên kết đứt và hình thành thế nào trong hàng nghìn nguyên tử qua vài nano giây?

Bỏ qua: Các tham số được khớp cho từng loại hóa học, và electron không được xử lý một cách tường minh.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược Hàng triệu nguyên tử trong vài nano giây Từ: 2001 ReaxFF: a reactive force field for hydrocarbons (2001) [nguồn](https://doi.org/10.1021/jp004368u)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Nguyên tử

### Metadynamics và lấy mẫu tăng cường

Động lực học phân tử trong đó một thiên lệch phụ thuộc lịch sử đẩy hệ ra khỏi các cực tiểu cục bộ để lập bản đồ sự kiện hiếm và bề mặt năng lượng tự do.

Câu hỏi nó trả lời: Các rào cản giữa những trạng thái mà động lực học thông thường không bao giờ vượt qua cao đến mức nào?

Bỏ qua: Kết quả phụ thuộc vào việc chọn được các biến tập thể tốt.

Chạy trên: khoảng 10^17 FLOPS sơ lược Nhiều quỹ đạo thiên lệch trên vài biến được chọn Từ: 2002 Escaping free-energy minima (2002) [nguồn](https://doi.org/10.1073/pnas.202427399)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Nguyên tử

### Bộ lấy mẫu cân bằng học máy

Một mạng sinh được huấn luyện để vẽ ra các cấu hình phân tử độc lập từ phân bố Boltzmann, tránh được những quỹ đạo dài.

Câu hỏi nó trả lời: Các trạng thái hiếm của một phân tử có thể được lấy mẫu trực tiếp thay vì chờ chúng không?

Bỏ qua: Động lực học và động học bị mất, và việc huấn luyện khó với hệ lớn.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược Huấn luyện cộng với đánh trọng số lại Từ: 2018 Boltzmann Generators: sampling equilibrium states of many-body systems with deep learning (2018) [nguồn](https://arxiv.org/abs/1812.01729)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Phân tử

### Monte Carlo động học

Các nguyên tử nhảy trên một bề mặt hay trong một tinh thể được chọn ngẫu nhiên với xác suất theo tốc độ của chúng, nên có thể đạt tới những quá trình kéo dài hàng giây hay hàng giờ.

Câu hỏi nó trả lời: Một bề mặt hay tinh thể thay đổi thế nào trong những khoảng thời gian dài giữa các lần nhảy nguyên tử?

Bỏ qua: Mọi sự kiện có thể xảy ra và tốc độ của nó phải được liệt kê trước, nên các cơ chế bất ngờ bị bỏ sót.

Chạy trên: khoảng 10^11 FLOPS sơ lược hàng triệu sự kiện, với tốc độ tính trước từ nguyên lý đầu tiên. Từ: 1975 Thuật toán Monte Carlo điều khiển theo sự kiện của Bortz, Kalos và Lebowitz cho các hệ spin Ising. [nguồn](https://doi.org/10.1016/0021-9991%2875%2990060-1)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Quá trình ngẫu nhiên](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-stochastic)nền: Nguyên tử

### Động lực học phân tử thô hóa

Nhiều nguyên tử được gộp thành một hạt cầu duy nhất, nhờ đó có thể theo dõi màng, polyme và lipid tự lắp ráp trong hàng micro giây trên những hộp lớn hơn.

Câu hỏi nó trả lời: Các cụm phân tử lớn hình thành thế nào trong vài micro giây?

Bỏ qua: Việc gộp nguyên tử bỏ mất chi tiết như tính định hướng liên kết hydro, và thời gian không hoàn toàn mang tính vật lý.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược hàng triệu hạt cầu trong vài micro giây. Từ: 2007 Trường lực thô hóa của Marrink và các đồng nghiệp cho mô phỏng phân tử sinh học. [nguồn](https://doi.org/10.1021/jp071097f)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Hạt và N vật thể](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-particles)nền: Phân tử

### Động lực học hạt tiêu tán

Các hạt mềm đại diện cho từng cụm chất lỏng tương tác bằng ma sát và các cú đẩy ngẫu nhiên, cho ra thủy động lực học đúng ở quy mô lớn đối với polyme và chất keo.

Câu hỏi nó trả lời: Chất lỏng polyme và chất hoạt động bề mặt chảy và tự tổ chức thế nào ở quy mô trung gian?

Bỏ qua: Thế năng mềm cho phép các chuỗi xuyên qua nhau một cách phi vật lý nếu không được hiệu chỉnh.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược hàng triệu hạt cầu trong thời gian dài. Từ: 1992 Hoogerbrugge và Koelman mô phỏng các hiện tượng thủy động lực học vi mô bằng động lực học hạt tiêu tán. [nguồn](https://doi.org/10.1209/0295-5075/19/3/001)

[Hạt và N vật thể](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-particles)[Quá trình ngẫu nhiên](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-stochastic)nền: Phân tử

### Phương pháp năng lượng tự do lấy mẫu tăng cường

Các mô phỏng được đẩy để vượt rào cản cao, như thêm thiên lệch phụ thuộc lịch sử, để tính được sự kiện hiếm và cảnh quan năng lượng tự do.

Câu hỏi nó trả lời: Chi phí năng lượng tự do của một thay đổi hiếm, như tạo mầm hay liên kết, là bao nhiêu?

Bỏ qua: Câu trả lời phụ thuộc vào việc chọn biến tập thể, và thiếu một biến sẽ cho ra một cảnh quan sai.

Chạy trên: khoảng 10^16 FLOPS sơ lược các lần chạy thiên lệch dài dọc theo những biến được chọn. Từ: 2002 Laio và Parrinello, thoát khỏi các cực tiểu năng lượng tự do bằng metadynamics. [nguồn](https://doi.org/10.1073/pnas.202427399)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Nguyên tử

### Hấp phụ trong vật liệu xốp

Các phân tử khí được chèn vào và bỏ ra ngẫu nhiên trong một mô hình chất rắn xốp, để dự đoán một vật liệu zeolite hay khung hấp phụ được bao nhiêu.

Câu hỏi nó trả lời: Một vật liệu xốp chứa được bao nhiêu khí ở một áp suất nhất định?

Bỏ qua: Các xấp xỉ khung cứng và điện tích cố định đánh giá sai vật liệu mềm dẻo.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược hàng triệu lần chèn cho mỗi điểm trạng thái, hàng nghìn cấu trúc. Từ: 1975 Monte Carlo tập hợp chính tắc lớn của Adams cho một chất lưu Lennard-Jones. [nguồn](https://doi.org/10.1080/00268977500100221)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Phân tử

### Lý thuyết trường tự nhất quán cho polyme

Các chuỗi được thay bằng một trường mật độ cảm nhận lực kéo trung bình của chính nó, nên các copolyme khối và hỗn hợp có thể được giải để tìm mẫu có trật tự mà không cần theo dõi từng chuỗi.

Câu hỏi nó trả lời: Một đồng trùng hợp khối sẽ tự lắp ráp thành mẫu hình nào?

Bỏ qua: Lý thuyết trường trung bình bỏ qua các thăng giáng, vốn quan trọng gần ranh giới pha.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược giải các phương trình khuếch tán trên lưới ba chiều. Từ: 1965 Cơ học thống kê của polyme có thể tích loại trừ của Edwards. [nguồn](https://doi.org/10.1088/0370-1328/85/4/301)

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Phân tử

### Monte Carlo tăng trưởng chuỗi cho polyme

Các chuỗi phân tử dài được xây từng liên kết một với trọng số, để đo kích thước, entropy và hành vi thể tích loại trừ của chúng.

Câu hỏi nó trả lời: Một chuỗi dài mềm dẻo lớn cỡ nào, và vì sao nó không tự cắt qua chính mình?

Bỏ qua: Trọng số tăng không đều theo độ dài chuỗi, nên các chuỗi rất dài cần các thủ thuật lấy mẫu lại.

Chạy trên: khoảng 10^9 FLOPS sơ lược hàng triệu chuỗi, chi phí thấp hơn nhiều so với động lực học. Từ: 1955 Tính Monte Carlo của Rosenbluth và Rosenbluth về độ giãn trung bình của chuỗi phân tử. [nguồn](https://doi.org/10.1063/1.1741967)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Phân tử

## Chất rắn

### Từ tính và chuyển pha

Các spin trên mạng tinh thể lật ngẫu nhiên, mô hình Ising kinh điển và các biến thể của nó, dùng để nghiên cứu cách trật tự xuất hiện ở nhiệt độ tới hạn.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao nam châm mất từ tính ở đúng một nhiệt độ?

Bỏ qua: Một nam châm thật có những chi tiết về hình dạng và tạp chất mà mạng tinh thể lý tưởng hóa bỏ qua ngay từ cách dựng.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay; hàng tỷ lần lật spin mỗi giây. Từ: 1953 phương pháp Monte Carlo chấp nhận-bác bỏ Metropolis, sau này trở thành công cụ chuẩn cho các mô hình spin; bản thân bài báo năm 1953 mô phỏng các đĩa cứng [nguồn](https://zhanggroup.org/teaching/literature/Metropolis1953.pdf) Trong cây mô phỏng: [Thuật toán Metropolis](https://simulation-hypothesis.com/vi/trees/simulations?n=m-mcmc)

[Chạy mô hình tương tác](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/run#toy-ising)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Nguyên tử

### Đứt gãy và khuyết tật

Các nguyên tử ở mũi một vết nứt, và những khuyết tật giúp kim loại uốn cong thay vì vỡ vụn.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao vật liệu này nứt thay vì uốn cong?

Bỏ qua: Mũi vết nứt chỉ rộng vài nguyên tử vẫn phải đại diện cho một vết nứt chạy suốt cả thanh dầm.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi lần chạy vết nứt. Từ: 1976 Mô phỏng động lực học phân tử đời đầu của Ashurst và Hoover về mũi một vết nứt.

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)nền: Nguyên tử

### Vi cấu trúc

Các hạt tinh thể hình thành và lớn lên khi kim loại đông đặc hoặc được xử lý nhiệt, thường bằng phương pháp trường pha.

Câu hỏi nó trả lời: Xử lý nhiệt nào cho hợp kim bền nhất?

Bỏ qua: Ranh giới hạt được coi là bề mặt toán học trơn nhẵn, chứ không phải những khuyết tật lộn xộn như trong thực tế.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi hợp kim đông đặc. Từ: 1991 Mô hình trường pha đời đầu của Chen và Khachaturyan về một vi cấu trúc đang lớn.

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Trường

### Vật liệu dạng hạt

Cát, hạt, bột và viên thuốc như hàng triệu hạt riêng lẻ va chạm và kẹt vào nhau.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao silo bị tắc, và một trận lở bắt đầu thế nào?

Bỏ qua: Hạt thật gồ ghề, không đều; hạt mô phỏng hầu như luôn là hình cầu lý tưởng.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một GPU máy tính để bàn hoặc cụm máy nhỏ, hàng triệu hạt cùng lúc. Từ: 1979 Mô hình phần tử rời rạc đầu tiên của Cundall và Strack cho các hạt rời.

[Chạy mô hình tương tác](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/run#toy-sand)

[Hạt và N vật thể](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-particles)nền: Cơ thể

### Động lực học lệch mạng

Các khuyết tật đường xuyên qua mạng tinh thể, được theo dõi khi chúng di chuyển, nhân lên và rối vào nhau để tạo ra sự uốn hay giãn vĩnh viễn.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao kim loại này uốn cong thay vì gãy, và nó thật sự bền đến đâu?

Bỏ qua: Coi các lệch mạng như những đường sạch trong một tinh thể hoàn hảo, trong khi kim loại thật đầy những khuyết tật khác mà chúng tương tác.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ đến vài ngày cho mỗi lần chạy. Từ: 1990 các mô phỏng động lực học lệch mạng rời rạc đời đầu về dẻo của tinh thể.

[Hạt và N vật thể](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-particles)[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)nền: Nguyên tử

### Sự phát triển màng mỏng

Các nguyên tử đến từng cái một trên một bề mặt rồi dính lại, nhảy hoặc vùi lấp nhau khi một màng mỏng được xây dần từng lớp.

Câu hỏi nó trả lời: Lớp màng này sẽ mọc phẳng, hay thô ráp và đầy khuyết tật?

Bỏ qua: Buồng lắng đọng thật có ô nhiễm và dòng chảy không đều mà một thông lượng nguyên tử lý tưởng không bao gồm.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược một máy trạm; vài giờ cho mỗi màng mỏng được mô phỏng. Từ: 1966 các mô hình Monte Carlo động học đời đầu về nguyên tử đến một bề mặt đang lớn.

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Nguyên tử

### Thác tổn thương bức xạ trong vật liệu

Một nguyên tử nhanh va vào một tinh thể, được theo dõi khi nó đẩy các nguyên tử lân cận lệch chỗ và để lại các chỗ trống, để dự đoán kim loại bị chiếu xạ xuống cấp ra sao.

Câu hỏi nó trả lời: Một va chạm đơn lẻ làm văng bao nhiêu nguyên tử khỏi tinh thể?

Bỏ qua: Các khuyết tật sau đó tiến hóa trong nhiều năm, vượt xa giai đoạn dòng thác va chạm, và cần các phương pháp khác để bắc cầu khoảng cách.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược hàng triệu nguyên tử trong hàng chục pico giây, lặp lại cho nhiều hướng va chạm. Từ: 1960 Động lực học tổn thương bức xạ trong mạng đồng của Gibson, Goland, Milgram và Vineyard. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrev.120.1229)

[Động lực học phân tử](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-molecular-dynamics)[Hạt và N vật thể](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-particles)nền: Nguyên tử

### Khai triển cụm hợp kim

Năng lượng của một hợp kim được viết thành tổng trên các cụm nhỏ nguyên tử lân cận, nên trật tự và giản đồ pha có thể được lấy mẫu bằng Monte Carlo.

Câu hỏi nó trả lời: Hợp kim ưa thích những cách sắp xếp nguyên tử nào, và khi nào nó trật tự hóa?

Bỏ qua: Khai triển bị cố định vào một mạng tinh thể nhất định và có thể bỏ sót các đóng góp dao động và từ tính.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược hàng trăm giá trị năng lượng từ nguyên lý đầu tiên, rồi Monte Carlo mạng tinh thể chi phí thấp. Từ: 1984 Mô tả cụm tổng quát hóa của Sanchez, Ducastelle và Gratias cho các hệ nhiều thành phần. [nguồn](https://doi.org/10.1016/0378-4371%2884%2990096-7)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Lý thuyết trường trên mạng](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-lattice)nền: Nguyên tử

### Mô hình hóa phần tử hữu hạn của dẻo tinh thể

Các hạt kim loại biến dạng do trượt trên những mặt tinh thể cụ thể, với hướng riêng của từng hạt, để dự đoán độ bền, kết cấu và hành vi tạo hình.

Câu hỏi nó trả lời: Hướng tinh thể quyết định kim loại uốn và cứng lên thế nào?

Bỏ qua: Các định luật hóa bền được khớp theo thí nghiệm và không mang trí nhớ về từng lệch mạng riêng lẻ.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược các mô hình phần tử hữu hạn của hàng nghìn hạt. Từ: 1982 Peirce, Asaro và Needleman, phân tích biến dạng không đồng đều và cục bộ trong đơn tinh thể dẻo. [nguồn](https://doi.org/10.1016/0001-6160%2882%2990005-0)

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Trường

### Mô phỏng vi từ

Hướng từ hóa trong một nam châm, được rời rạc hóa thành các ô, với trao đổi, dị hướng và từ trường tản, để theo dõi cách các đô-men hình thành và đổi chiều.

Câu hỏi nó trả lời: Từ độ của một nam châm nano đảo chiều thế nào?

Bỏ qua: Nhiệt độ được xử lý thô sơ, và các ô lớn hơn độ dài trao đổi sẽ mất chi tiết.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược các lần chạy sai phân hữu hạn với hàng triệu ô. Từ: 1988 Nghiên cứu vi từ ba chiều của Schabes và Bertram về quá trình từ hóa trong các khối lập phương sắt từ. [nguồn](https://doi.org/10.1063/1.341858)

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Trường

### Vận chuyển điện tích trong chất bán dẫn hữu cơ

Electron hay lỗ trống nhảy giữa các phân tử vô trật tự, được mô phỏng bằng bước đi ngẫu nhiên để dự đoán độ linh động trong điện tử nhựa.

Câu hỏi nó trả lời: Điện tích di chuyển nhanh đến mức nào qua một vật liệu hữu cơ vô trật tự?

Bỏ qua: Tốc độ nhảy được giả định theo một dạng nào đó và hình thái được lý tưởng hóa.

Chạy trên: khoảng 10^11 FLOPS sơ lược Các bước nhảy Monte Carlo trên mạng tinh thể lớn. Từ: 1993 Mô phỏng Monte Carlo của Bässler về sự vận chuyển điện tích trong các chất quang dẫn hữu cơ vô trật tự. [nguồn](https://doi.org/10.1002/pssb.2221750102)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Quá trình ngẫu nhiên](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-stochastic)nền: Phân tử

### Tính độ dẫn nhiệt mạng tinh thể

Nhiệt do dao động mạng tinh thể mang đi, với tốc độ tán xạ tính từ các nguyên lý đầu tiên, để dự đoán độ dẫn nhiệt của một tinh thể mà không cần khớp số liệu.

Câu hỏi nó trả lời: Một tinh thể dẫn nhiệt tốt đến đâu, chỉ tính từ các nguyên tử?

Bỏ qua: Các vật liệu phi điều hòa mạnh và mất trật tự cần xử lý thêm.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược hàng nghìn phép tính lực trong một siêu ô. Từ: 2007 Độ dẫn nhiệt mạng nội tại của chất bán dẫn tính từ nguyên lý đầu tiên của Broido, Malorny, Birner, Mingo và Stewart. [nguồn](https://doi.org/10.1063/1.2822891)

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Nguyên tử

### Kết tụ giới hạn bởi khuếch tán

Các hạt đi lang thang ngẫu nhiên cho đến khi dính vào một cụm đang lớn, tạo ra các fractal phân nhánh như tinh thể cành cây và cặn khoáng.

Câu hỏi nó trả lời: Vì sao các hạt đi bộ ngẫu nhiên mọc thành cụm fractal phân nhánh?

Bỏ qua: Nó chỉ mô hình hóa một quy tắc tăng trưởng lý tưởng, không có năng lượng bề mặt hay hóa học.

Chạy trên: khoảng 10^8 FLOPS sơ lược hàng triệu “người đi ngẫu nhiên” (random walker) trên một mạng tinh thể. Từ: 1981 Sự kết tụ bị giới hạn khuếch tán của Witten và Sander, một hiện tượng tới hạn động học. [nguồn](https://doi.org/10.1103/physrevlett.47.1400)

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Quá trình ngẫu nhiên](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-stochastic)nền: Quy tắc

### Mô hình sinh của tinh thể

Một mô hình khuếch tán hoặc biến phân huấn luyện trên các tinh thể đã biết đề xuất những cấu trúc tuần hoàn mới, sau đó được kiểm tra và tối ưu hóa hình học bằng tính toán cơ học lượng tử.

Câu hỏi nó trả lời: Một mô hình có thể nghĩ ra những vật liệu mới ổn định thay vì sàng lọc những vật liệu đã biết không?

Bỏ qua: Hầu hết các cấu trúc được đề xuất là không ổn định hoặc không thể chế tạo, và mô hình không biết cách tổng hợp bất kỳ cấu trúc nào trong số đó.

Chạy trên: khoảng 10^18 FLOPS sơ lược hàng tuần huấn luyện GPU, rồi một chuỗi kiểm tra cấu trúc điện tử. Từ: 2021 Bộ tự mã hóa biến phân khuếch tán tinh thể của Xie và cộng sự để sinh vật liệu tuần hoàn. [nguồn](https://arxiv.org/abs/2110.06197)

[Bộ mô phỏng học được](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-learned)[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

## Phản ứng, xúc tác và điện hóa

### Xúc tác

Một phân tử đang phản ứng bám vào bề mặt chất xúc tác, được tính từng bước để tìm đường đi làm giảm năng lượng cần cho phản ứng.

Câu hỏi nó trả lời: Bề mặt nào, và cách sắp xếp nguyên tử nào trên đó, đẩy nhanh phản ứng này nhất?

Bỏ qua: Chất xúc tác thật có khuyết tật, chất độc và sự lão hóa mà một bề mặt mô hình sạch, hoàn hảo không bao giờ phải đối mặt.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài ngày cho mỗi bề mặt chất xúc tác ứng viên. Từ: 1995 các phép tính lượng tử đời đầu vạch ra đường phản ứng trên bề mặt chất xúc tác.

[Nguyên lý cơ bản](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-first-principles)nền: Nguyên tử

### Mô hình hóa pin và tế bào điện hóa

Cả một viên pin hay pin nhiên liệu, các điện cực, chất điện phân và giao diện của nó, được mô hình hóa cùng nhau qua sạc, xả và nóng lên qua nhiều chu kỳ.

Câu hỏi nó trả lời: Viên pin này sẽ sống được bao nhiêu chu kỳ trước khi xuống cấp, và nó sẽ nóng đến đâu?

Bỏ qua: Sự xuống cấp qua nhiều năm sử dụng thực vẫn chủ yếu được ngoại suy từ các thử nghiệm gia tốc ngắn, chứ không mô phỏng trực tiếp.

Chạy trên: khoảng 10^14 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi lần thử chu kỳ sạc xả mô phỏng. Từ: 1975 các mô hình toán học đời đầu về sạc và xả của một điện cực pin.

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Trường

### Ăn mòn

Một bề mặt kim loại mất dần nguyên tử do phản ứng điện hóa với môi trường, được theo dõi khi nó bị rỗ, mỏng đi hoặc tạo ra lớp bảo vệ.

Câu hỏi nó trả lời: Kim loại này sẽ chịu được bao lâu trước khi bị ăn mòn thủng?

Bỏ qua: Sự ăn mòn thật phụ thuộc mạnh vào ô nhiễm cục bộ, vết xước bề mặt và dòng điện lạc mà mô hình lý tưởng bỏ qua.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược một máy trạm; vài giờ cho mỗi kịch bản ăn mòn. Từ: 1970 các mô hình máy tính đời đầu về ăn mòn rỗ và điện hóa.

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)nền: Trường

### Sự kết tinh

Các phân tử hay ion trong dung dịch quá bão hòa tìm thấy nhau và khóa vào một mạng tinh thể đang lớn, dùng để dự đoán một hợp chất sẽ kết tinh ra sao.

Câu hỏi nó trả lời: Các tinh thể do quá trình này tạo ra sẽ có hình dạng và kích thước nào?

Bỏ qua: Sự tạo mầm, cụm đầu tiên hình thành, diễn ra ở quy mô và tốc độ vẫn quá nhanh để quan sát hay tính toán trực tiếp đầy đủ.

Chạy trên: khoảng 10^13 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi mẻ được mô phỏng. Từ: 1988 các mô hình tính toán đời đầu về tạo mầm và phát triển từ một dung dịch quá bão hòa.

[Monte Carlo](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-monte-carlo)[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)nền: Phân tử

### Kỹ thuật lò phản ứng hóa học

Dòng chất lưu, sự trộn, nhiệt và hàng trăm bước phản ứng bên trong một bình công nghiệp, được mô hình hóa cùng nhau để dự đoán thu được bao nhiêu sản phẩm.

Câu hỏi nó trả lời: Thiết kế lò phản ứng này có trộn và làm mát đủ nhanh để có phản ứng sạch và an toàn không?

Bỏ qua: Mở rộng từ một lò phản ứng thử nhỏ lên một lò công nghiệp đầy đủ vẫn mất độ chính xác theo những cách mà kỹ sư hiệu chỉnh bằng kinh nghiệm.

Chạy trên: khoảng 10^15 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học hoặc công nghiệp, vài ngày cho mỗi thiết kế được nghiên cứu. Từ: 1970 các mô hình động lực học chất lưu tính toán đời đầu về một lò phản ứng hóa học công nghiệp.

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)nền: Trường

### Động học trùng hợp

Các phân tử nhỏ nối với nhau từng bước phản ứng thành chuỗi dài, được theo dõi để dự đoán chuỗi dài đến đâu và đồng đều ra sao.

Câu hỏi nó trả lời: Các chuỗi polyme sẽ dài bao nhiêu, và mức dao động là bao nhiêu?

Bỏ qua: Các phản ứng phụ rẽ nhánh hoặc kết thúc chuỗi sớm thường được đơn giản hóa thành vài tốc độ trung bình.

Chạy trên: khoảng 10^12 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay; một lần mô phỏng cả mẻ mất vài phút. Từ: 1968 các mô hình động học tính toán đời đầu của một phản ứng trùng hợp tăng trưởng chuỗi.

[Quá trình ngẫu nhiên](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-stochastic)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Phân tử

### Mô hình hóa màng và sự vận chuyển trong pin nhiên liệu

Nước, proton và khí di chuyển qua màng và điện cực của pin nhiên liệu, để dự đoán hiệu suất và khi nào nó khô hoặc ngập.

Câu hỏi nó trả lời: Nước và điện tích di chuyển qua màng pin nhiên liệu thế nào?

Bỏ qua: Vận chuyển qua màng dựa vào các định luật được khớp, và nước lỏng trong lỗ rất khó mô hình hóa.

Chạy trên: khoảng 10^10 FLOPS sơ lược các mô hình tế bào hai hoặc ba chiều, nhẹ trên một máy trạm. Từ: 1991 Mô hình pin nhiên liệu điện phân polyme của Springer, Zawodzinski và Gottesfeld. [nguồn](https://doi.org/10.1149/1.2085971)

[Trường liên tục](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-continuum)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Trường

### Mô hình mạng lỗ

Một tảng đá xốp hay điện cực được rút gọn thành một mạng các lỗ rỗng và các cổ nối giữa chúng, qua đó chất lỏng xâm nhập từng bước, để dự đoán dòng chảy và hành vi mao dẫn.

Câu hỏi nó trả lời: Chất lỏng lấp đầy và di chuyển trong một vật liệu xốp ra sao?

Bỏ qua: Hình dạng lỗ thật bị đơn giản hóa thành ống và hình cầu.

Chạy trên: khoảng 10^10 FLOPS sơ lược mạng lên tới hàng triệu lỗ, chi phí thấp so với mô phỏng dòng chảy trực tiếp. Từ: 1956 Mô hình mạng của Fatt về môi trường xốp. [nguồn](https://doi.org/10.2118/574-g)

[Mô hình mạng](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-network)[Phương trình vi phân](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/methods#m-equations)nền: Trường

[◂ Trái Đất và khí hậu](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/earth-climate)[Sự sống và y học ▸](https://simulation-hypothesis.com/vi/simulations/life-medicine)