分子水平上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)估算模擬已然成為物理研究的一個(gè)重要手段，這一方面是因?yàn)楝F(xiàn)有的檢測(cè)手段常常是間接檢測(cè)，須要理論與估算解釋，另一方面則是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，理想的實(shí)驗(yàn)條件難以真正實(shí)現(xiàn)。量子物理估算和分子模擬的手段，可以幫助人們從分子層次上理解物理物質(zhì)的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)特點(diǎn)，而那些通過傳統(tǒng)的宏觀層次上的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是很難做到的。
我校物理與材料科學(xué)大學(xué)在理論與估算物理方面具有雄厚的科研實(shí)力和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。依托南京微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等研究平臺(tái)，中學(xué)擁有一支強(qiáng)悍的理論與估算物理研究團(tuán)隊(duì)（包含3名杰青，2名優(yōu)青等），在相關(guān)基礎(chǔ)研究方面取得了明顯科研成果，為將估算物理方式應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為培養(yǎng)中學(xué)生應(yīng)用量子物理估算方式和分子模擬估算解決物理實(shí)際問題的能力，我們構(gòu)建了“分子水平上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)，依托“電子密度泛函理論與應(yīng)用”、“化學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)”等課程，開辦了10多個(gè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
一方面，我們將量子物理估算方式用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓中學(xué)生熟悉目前國(guó)際上流行的估算物理科研手段，采用現(xiàn)代電子結(jié)構(gòu)估算方式模擬傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段未能解決的問題，如材料原子空間結(jié)構(gòu)、電子態(tài)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過渡態(tài)特點(diǎn)、表面吸附等基礎(chǔ)物理問題。將量子物理估算方式與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，對(duì)于中學(xué)生加深基礎(chǔ)知識(shí)的理解、培養(yǎng)科學(xué)研究的興趣與素質(zhì)、以及了解學(xué)科前沿都具有重要的作用。目前，我們已開辦“基于C60分子體系電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的估算”、“簡(jiǎn)單體系石墨烯的電子結(jié)構(gòu)估算”、“卟啉分子的譜學(xué)估算與理論表征”、“三聚氰胺熱力學(xué)函數(shù)的估算”、“簡(jiǎn)單質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的過渡態(tài)的量子物理模擬”和“Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的構(gòu)象模擬”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
另一方面，結(jié)合我校班主任自身的科研成果3d物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)，我們?cè)趪?guó)外率先將分子模擬方式運(yùn)用到高分子科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，研究實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式不能直接研究或觀測(cè)的高分子鏈構(gòu)型、形態(tài)、尺寸（高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)問題）以及動(dòng)力學(xué)過程。
我們開發(fā)了分子模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“用‘分子的性質(zhì)’軟件重構(gòu)聚乙烯、全同立構(gòu)聚丙烯分子，并估算它們末端的直線距離”、“用‘分子的性質(zhì)’軟件估算聚丙烯酸乙酯的氫鍵能量”、“二維高分子鏈形態(tài)及標(biāo)度關(guān)系的計(jì)算機(jī)模擬”和“受限空間中高分子鏈穿越納米管線的MonteCarlo模擬”等，可以按照高分子的短程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直接在屏幕上構(gòu)造（即在屏幕上直接合成）高分子鏈，直觀展示高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及鏈的形態(tài)和規(guī)格變化；并估算鏈規(guī)格的統(tǒng)計(jì)平均值，確定平均值與高分子聚合度的標(biāo)度關(guān)系，使中學(xué)生對(duì)高分子鏈構(gòu)型形態(tài)問題構(gòu)建直觀、形象和透徹的理解；借助MonteCarlo方式模擬受限空間中的高分子鏈怎樣在熵驅(qū)動(dòng)下穿越納米管線，以幫助學(xué)生理解“構(gòu)象熵”這一概念在高分子科學(xué)學(xué)習(xí)中的特殊重要性。那些相關(guān)的分子模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提出了一種高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新模式，已取得了挺好的教學(xué)療效，并幅射到國(guó)外多所院校。
中心還新建了專門的多功能課室，已用于量子物理估算和分子模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并配備了高性能估算機(jī)房（如圖）。
項(xiàng)目一基于C60分子體系電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的估算
基于量子熱學(xué)從頭估算和密度泛函理論，采用DMOL3軟件包和軟件界面獲得C60分子體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的微觀圖形，并剖析其物理性質(zhì)。通過估算獲得C60分子的總電荷密度圖和差分電荷密度、C60分子的前線軌道（HOMO與LUMO）、C60分子的FUKUI等微觀電子結(jié)布光，并做出C60分子的分子基態(tài)圖。（詳盡信息）
項(xiàng)目二簡(jiǎn)單體系石墨烯的電子結(jié)構(gòu)估算
基于量子熱學(xué)從頭估算和密度泛函理論，采用vasp.5.2軟件包估算石墨烯的能帶和態(tài)密度，獲得石墨烯的電子結(jié)構(gòu)信息。實(shí)驗(yàn)以六角形的石墨烯單胞（有兩個(gè)碳原子）為例，進(jìn)行自洽估算，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。以結(jié)構(gòu)優(yōu)化后自洽形成的文件作為輸入文件進(jìn)行非自洽估算（=11），估算能帶和態(tài)密度，并得到石墨烯單胞的電子結(jié)構(gòu)信息。（詳盡信息）
項(xiàng)目三配體分子的譜學(xué)估算與理論表征
基于量子熱學(xué)第一性原理的理論技巧，采用DMOL3軟件包對(duì)配體分子的拉曼、紅外震動(dòng)、光吸收譜的譜學(xué)性質(zhì)進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)采用DFT-core的贗勢(shì)，paw-pbe的泛函進(jìn)行鈷配體分子模型的搭建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行震動(dòng)模式剖析，從而獲得配體分子的拉曼、紅外震動(dòng)、光吸收譜等實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（詳盡信息）
項(xiàng)目四三聚氰胺熱力學(xué)函數(shù)的估算
實(shí)驗(yàn)采用全電子的的泛函進(jìn)行三聚氰胺分子結(jié)構(gòu)的建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，用得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性質(zhì)的自洽估算，并進(jìn)行熱力學(xué)函數(shù)剖析，得到三聚氰胺的基本熱力學(xué)函數(shù)變化曲線。（詳盡信息）
項(xiàng)目五簡(jiǎn)單質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的過渡態(tài)的量子物理模擬
采用DMOL3軟件確定乙烯醇和丙酮異構(gòu)化的微觀反應(yīng)信息、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、過渡態(tài)等，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)微觀信息的可視化。首先進(jìn)行反應(yīng)物和產(chǎn)物模型的搭建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用線性內(nèi)標(biāo)法和逐點(diǎn)優(yōu)化法獲得一組接近過渡態(tài)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而采用估算執(zhí)行的LST/QST搜索過渡態(tài)，找到過渡態(tài)后，在原文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行頻度的估算，確認(rèn)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。按照反應(yīng)物、產(chǎn)物和過渡態(tài)的能量信息，勾畫出乙烯醇與乙酸異構(gòu)化的反應(yīng)示意圖3d物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)，同時(shí)給出能壘和反應(yīng)焓等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（詳盡信息）
項(xiàng)目六Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的構(gòu)象模擬
基于密度泛函理論，采用vasp.5.2.軟件包和軟件對(duì)O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)采用的泛函進(jìn)行模擬估算，獲得優(yōu)化后的面心立方的Pt晶胞。在優(yōu)化后的Pt晶胞，切出一個(gè)(Ⅲ)的晶面，并標(biāo)示出分子可能的吸附位。估算優(yōu)化得到O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附構(gòu)象及相應(yīng)的吸附能、鍵長(zhǎng)、O2分子所得電荷和磁矩的變化數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定O2在Pt(Ⅲ)表面的最穩(wěn)定吸附位。（詳盡信息）
項(xiàng)目七用“分子的性質(zhì)”軟件重構(gòu)聚乙烯、全同立構(gòu)聚丙烯分子，并估算它們末端的直線距離
在屏幕上直接建立（合成）側(cè)鏈含150個(gè)碳原子的呈下蹲鏈形態(tài)的聚乙烯分子，模擬估算下蹲鏈的末端距離；多次改變鏈的氫鍵，使鏈在不同位置彎曲，觀察鏈的形態(tài)變化并測(cè)定鏈的末端距，從中來理解C-C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)分子鏈卷曲程度和規(guī)格的極大影響。再建立（合成）側(cè)鏈含100個(gè)碳原子的呈全反式構(gòu)型的聚丙烯分子，調(diào)整內(nèi)旋轉(zhuǎn)角使其呈反式旁式交替出現(xiàn)的TGTG…構(gòu)象，得到全同立構(gòu)聚丙烯分子的H31螺旋形構(gòu)型。對(duì)于聚丙烯，碳鏈的全反式構(gòu)型并不是位能最低的氫鍵方式，其位能通常要比反式旁式交替出現(xiàn)的氫鍵來得高。（詳盡信息）
項(xiàng)目八用“分子的性質(zhì)”軟件估算聚丙烯酸乙酯的氫鍵能量
分別建立含三個(gè)和五個(gè)單體單元的聚丙烯酸乙酯片斷，先后選擇一個(gè)和兩個(gè)內(nèi)旋轉(zhuǎn)角，并按5°或10°的間隔來估算內(nèi)旋轉(zhuǎn)的氫鍵能。本實(shí)驗(yàn)只涉及到兩個(gè)內(nèi)旋轉(zhuǎn)角角度變化對(duì)柔性高分子鏈構(gòu)型及官能團(tuán)能的影響。通過這個(gè)分子模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，使中學(xué)生深刻理解到：柔性高分子雖然不能自由內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)的氫鍵數(shù)量仍是十分大的。構(gòu)型能E(Φ)與內(nèi)旋轉(zhuǎn)角Φ是一個(gè)很復(fù)雜的函數(shù)，計(jì)算機(jī)模擬無疑是事半功倍的。（詳盡信息）
項(xiàng)目九二維高分子鏈形態(tài)及標(biāo)度關(guān)系的計(jì)算機(jī)模擬
初步了解四位置模型和鍵長(zhǎng)漲落算法，以及本實(shí)驗(yàn)采用的改進(jìn)型四位置模型；學(xué)會(huì)用改進(jìn)型四位置模型模擬二維空間中不同厚度的自回避行走鏈（SAW）和無規(guī)行走鏈（RW），并估算兩種鏈的均方末端距、均方回轉(zhuǎn)直徑與聚合度的標(biāo)度關(guān)系。通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，中學(xué)生可初步了解高分子鏈形態(tài)及其物理描述方式，以及SAW鏈和RW鏈在形態(tài)及其特點(diǎn)上的差異。（詳盡信息）
項(xiàng)目十受限空間中的高分子鏈穿越納米管線的MonteCarlo模擬
采用自編的MonteCarlo分子模擬軟件，在計(jì)算機(jī)上直觀地觀察受限空間中的單鏈高分子穿越納米管線的動(dòng)力學(xué)過程。設(shè)置相關(guān)參數(shù)（鏈長(zhǎng)、管道厚度、受限空間規(guī)格等），其中，受限程度不同，高分子穿越納米管線對(duì)應(yīng)的自由能壁壘也有所不同，測(cè)定高分子從開始穿越到最終又回到起點(diǎn)的時(shí)間（Ttrap），確定自由能壁壘ΔE與高分子鏈長(zhǎng)N、納米管線寬度M之間的函數(shù)關(guān)系，討論受限程度對(duì)高分子穿越納米管線動(dòng)力學(xué)行為的影響，并與物理反應(yīng)過程相類比。（詳盡信息）
