分子水平上的虚拟仿真实验估算模拟已然成为物理研究的一个重要手段，这一方面是因为现有的检测手段常常是间接检测，须要理论与估算解释，另一方面则是因为实验条件的限制，理想的实验条件难以真正实现。量子物理估算和分子模拟的手段，可以帮助人们从分子层次上理解物理物质的结构-性能关系，动力学性质和反应特点，而那些通过传统的宏观层次上的实验室教学是很难做到的。
我校物理与材料科学大学在理论与估算物理方面具有雄厚的科研实力和丰富的教学经验。依托南京微尺度物质科学国家实验室等研究平台，中学拥有一支强悍的理论与估算物理研究团队（包含3名杰青，2名优青等），在相关基础研究方面取得了明显科研成果，为将估算物理方式应用于本科实验教学奠定了坚实的基础。为培养中学生应用量子物理估算方式和分子模拟估算解决物理实际问题的能力，我们构建了“分子水平上的虚拟仿真实验”平台，依托“电子密度泛函理论与应用”、“化学化学实验”、“高分子化学实验”等课程，开办了10多个模拟仿真实验项目。
一方面，我们将量子物理估算方式用于物理实验教学。在实验教学中，让中学生熟悉目前国际上流行的估算物理科研手段，采用现代电子结构估算方式模拟传统实验手段未能解决的问题，如材料原子空间结构、电子态结构、反应过渡态特点、表面吸附等基础物理问题。将量子物理估算方式与物理实验教学相结合，对于中学生加深基础知识的理解、培养科学研究的兴趣与素质、以及了解学科前沿都具有重要的作用。目前，我们已开办“基于C60分子体系电子结构性质的估算”、“简单体系石墨烯的电子结构估算”、“卟啉分子的谱学估算与理论表征”、“三聚氰胺热力学函数的估算”、“简单质子转移反应的过渡态的量子物理模拟”和“Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的构象模拟”等实验项目。
另一方面，结合我校班主任自身的科研成果3d物理虚拟仿真实验室网页，我们在国外率先将分子模拟方式运用到高分子科学的实验教学中，研究实验室教学方式不能直接研究或观测的高分子链构型、形态、尺寸（高分子链的远程结构问题）以及动力学过程。
我们开发了分子模拟实验项目“用‘分子的性质’软件重构聚乙烯、全同立构聚丙烯分子，并估算它们末端的直线距离”、“用‘分子的性质’软件估算聚丙烯酸乙酯的氢键能量”、“二维高分子链形态及标度关系的计算机模拟”和“受限空间中高分子链穿越纳米管线的MonteCarlo模拟”等，可以按照高分子的短程结构特点，直接在屏幕上构造（即在屏幕上直接合成）高分子链，直观展示高分子链的内旋转以及链的形态和规格变化；并估算链规格的统计平均值，确定平均值与高分子聚合度的标度关系，使中学生对高分子链构型形态问题构建直观、形象和透彻的理解；借助MonteCarlo方式模拟受限空间中的高分子链怎样在熵驱动下穿越纳米管线，以帮助学生理解“构象熵”这一概念在高分子科学学习中的特殊重要性。那些相关的分子模拟实验项目，提出了一种高分子科学实验教学的创新模式，已取得了挺好的教学疗效，并幅射到国外多所院校。
中心还新建了专门的多功能课室，已用于量子物理估算和分子模拟实验教学，并配备了高性能估算机房（如图）。
项目一基于C60分子体系电子结构性质的估算
基于量子热学从头估算和密度泛函理论，采用DMOL3软件包和软件界面获得C60分子体系的电子结构性质的微观图形，并剖析其物理性质。通过估算获得C60分子的总电荷密度图和差分电荷密度、C60分子的前线轨道（HOMO与LUMO）、C60分子的FUKUI等微观电子结布光，并做出C60分子的分子基态图。（详尽信息）
项目二简单体系石墨烯的电子结构估算
基于量子热学从头估算和密度泛函理论，采用vasp.5.2软件包估算石墨烯的能带和态密度，获得石墨烯的电子结构信息。实验以六角形的石墨烯单胞（有两个碳原子）为例，进行自洽估算，得到最优结构。以结构优化后自洽形成的文件作为输入文件进行非自洽估算（=11），估算能带和态密度，并得到石墨烯单胞的电子结构信息。（详尽信息）
项目三配体分子的谱学估算与理论表征
基于量子热学第一性原理的理论技巧，采用DMOL3软件包对配体分子的拉曼、红外震动、光吸收谱的谱学性质进行模拟。实验采用DFT-core的赝势，paw-pbe的泛函进行钴配体分子模型的搭建及结构优化。对优化后的结构进行震动模式剖析，从而获得配体分子的拉曼、红外震动、光吸收谱等实验结果。（详尽信息）
项目四三聚氰胺热力学函数的估算
实验采用全电子的的泛函进行三聚氰胺分子结构的建模及结构优化，用得到的最优结构进行性质的自洽估算，并进行热力学函数剖析，得到三聚氰胺的基本热力学函数变化曲线。（详尽信息）
项目五简单质子转移反应的过渡态的量子物理模拟
采用DMOL3软件确定乙烯醇和丙酮异构化的微观反应信息、结构优化、过渡态等，实现反应微观信息的可视化。首先进行反应物和产物模型的搭建及结构优化，使用线性内标法和逐点优化法获得一组接近过渡态的初始结构参数，从而采用估算执行的LST/QST搜索过渡态，找到过渡态后，在原文件的基础上进行频度的估算，确认过渡态结构。按照反应物、产物和过渡态的能量信息，勾画出乙烯醇与乙酸异构化的反应示意图3d物理虚拟仿真实验室网页，同时给出能垒和反应焓等实验数据。（详尽信息）
项目六Pt(Ⅲ)表面吸附O2分子的构象模拟
基于密度泛函理论，采用vasp.5.2.软件包和软件对O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附进行模拟。实验采用的泛函进行模拟估算，获得优化后的面心立方的Pt晶胞。在优化后的Pt晶胞，切出一个(Ⅲ)的晶面，并标示出分子可能的吸附位。估算优化得到O2分子在Pt(Ⅲ)表面吸附构象及相应的吸附能、键长、O2分子所得电荷和磁矩的变化数据。通过实验数据确定O2在Pt(Ⅲ)表面的最稳定吸附位。（详尽信息）
项目七用“分子的性质”软件重构聚乙烯、全同立构聚丙烯分子，并估算它们末端的直线距离
在屏幕上直接建立（合成）侧链含150个碳原子的呈下蹲链形态的聚乙烯分子，模拟估算下蹲链的末端距离；多次改变链的氢键，使链在不同位置弯曲，观察链的形态变化并测定链的末端距，从中来理解C-C键内旋转对分子链卷曲程度和规格的极大影响。再建立（合成）侧链含100个碳原子的呈全反式构型的聚丙烯分子，调整内旋转角使其呈反式旁式交替出现的TGTG…构象，得到全同立构聚丙烯分子的H31螺旋形构型。对于聚丙烯，碳链的全反式构型并不是位能最低的氢键方式，其位能通常要比反式旁式交替出现的氢键来得高。（详尽信息）
项目八用“分子的性质”软件估算聚丙烯酸乙酯的氢键能量
分别建立含三个和五个单体单元的聚丙烯酸乙酯片断，先后选择一个和两个内旋转角，并按5°或10°的间隔来估算内旋转的氢键能。本实验只涉及到两个内旋转角角度变化对柔性高分子链构型及官能团能的影响。通过这个分子模拟实验的教学，使中学生深刻理解到：柔性高分子虽然不能自由内旋转，并且可以实现的氢键数量仍是十分大的。构型能E(Φ)与内旋转角Φ是一个很复杂的函数，计算机模拟无疑是事半功倍的。（详尽信息）
项目九二维高分子链形态及标度关系的计算机模拟
初步了解四位置模型和键长涨落算法，以及本实验采用的改进型四位置模型；学会用改进型四位置模型模拟二维空间中不同厚度的自回避行走链（SAW）和无规行走链（RW），并估算两种链的均方末端距、均方回转直径与聚合度的标度关系。通过本实验的学习，中学生可初步了解高分子链形态及其物理描述方式，以及SAW链和RW链在形态及其特点上的差异。（详尽信息）
项目十受限空间中的高分子链穿越纳米管线的MonteCarlo模拟
采用自编的MonteCarlo分子模拟软件，在计算机上直观地观察受限空间中的单链高分子穿越纳米管线的动力学过程。设置相关参数（链长、管道厚度、受限空间规格等），其中，受限程度不同，高分子穿越纳米管线对应的自由能壁垒也有所不同，测定高分子从开始穿越到最终又回到起点的时间（Ttrap），确定自由能壁垒ΔE与高分子链长N、纳米管线宽度M之间的函数关系，讨论受限程度对高分子穿越纳米管线动力学行为的影响，并与物理反应过程相类比。（详尽信息）
