stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
ديناميكا جزيئية

مثال على محاكاة ديناميات الجزيئية في نظام بسيط: ترسب أحد النحاس (النحاس) ذرة في البلورة الباردة من النحاس (مؤشر ميلر (001) سطح). تمثل كل دائرة موضع ذرة واحدة. يتم إعادة توزيع الطاقة الحركية للذرة التي تقترب من القمة بين الذرات الأخرى، لذلك بدلاً من الارتداد، تظل مرتبطة بسبب قوى الجذب بين الذرات.
غالبًا ما تُستخدم محاكاة الديناميكيات الجزيئية لدراسة الأنظمة الفيزيائية الحيوية. يصور هنا محاكاة 100 ps للماء.
وصف مبسط لخوارزمية محاكاة الديناميكيات الجزيئية القياسية، عند استخدام عامل تكامل من النوع المصحح والمتنبئ. قد تأتي القوى إما من الجهود الكلاسيكية بين الذرات (الموصوفة رياضياً كـ  F=-\nabla V({\vec {r}})) أو ميكانيكي الكم (الموصوف رياضيًا كـ  F=F(\Psi ({\vec {r}}))) طرق. توجد اختلافات كبيرة بين شركات التكامل المختلفة؛ لا يحتوي البعض على نفس المصطلحات ذات الترتيب الأعلى تمامًا كما هو موضح في مخطط التدفق، ويستخدم الكثير أيضًا مشتقات زمنية ذات ترتيب أعلى، ويستخدم البعض كلاً من الخطوة الزمنية الحالية والسابقة في مخططات الخطوات ذات الوقت المتغير.
الديناميكا الجزيئية (بالإنجليزية: Molecular dynamics (MD))، هي علم قائم على محاكاة حاسوبية للجزيئات والمركبات معتمدة على قوانين نيوتن للحركة في توقع حركة الجزيئات وسرعة تحركها واماكن وجودها بعد فترات زمنية قصيره جدا وهو عمل يتطلب حلول لمعادلات نيوتن لاعداد هائلة من الجزيئات ولفترات زمنية قصيره جدا ولضمان حساب هذه التوقعات بشكل صحيح أو اقرب للصحة يجب أخذ عدة امور عند حساب قوانين نيوتن مثل قوى التجاذب بين الجزيئات واهتزاز روابط الجزي وانثناء الرووابط حول محورها وتذبذب الزاوية بين ذرات الجزي وايضا تذبذب الزوايا بين مستويات الجزئ أو ما يعرف بالزاوية الزوجية وامور أخرى كثيرة
ولاننا في هذه العملية نقوب بحساب قوانين نيوتن وقوانين أخرى تتعلق بالمحاكاة لاعداد كبيرة جده من الجزيئات هذا يجعل العملية معقدة جدا وشبه مستحيلة لذلك يتم الاستعانة ببعض الفرضيات وطرق احصائية لتساعدنا في جعل هذه الحسابات ممكنة من الناحية العملية.
الديناميكات الجزيئية هي طريقة محاكاة حاسوبية لتحليل الحركات الفيزيائية للذرات والجزيئات. يُسمح للذرات والجزيئات بالتفاعل لفترة زمنية محددة، مما يعطي نظرة على «التطور» الديناميكي للنظام. في الإصدار الأكثر شيوعًا، يتم تحديد مسارات الذرات والجزيئات عن طريق الحل العددي لمعادلات نيوتن للحركة لنظام من الجسيمات المتفاعلة، حيث تُحسب القوى بين الجسيمات وطاقاتها الكامنة غالبًا باستخدام الكمون بين الذرات أو مجالات القوة الجزيئية. يتم تطبيق الطريقة في الغالب في الفيزياء الكيميائية وعلوم المواد والفيزياء الحيوية.
نظرًا لأن الأنظمة الجزيئية تتكون عادةً من عدد كبير من الجسيمات، فمن المستحيل تحديد خصائص هذه الأنظمة المعقدة بشكل تحليلي؛ تتغلب محاكاة الديناميكا الجزيئية على هذه المشكلة باستخدام الطرق العددية. ومع ذلك، فإن عمليات محاكاة الديناميكا الجزيئية الطويلة غير مشروطة رياضيًا، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء تراكمية في التكامل العددي يمكن تقليلها من خلال الاختيار المناسب للخوارزميات والمعلمات، ولكن لا يتم التخلص منها تمامًا.
بالنسبة للأنظمة التي تتبع فرضية إرغوديك، يمكن استخدام تطور محاكاة ديناميكية جزيئية واحدة لتحديد الخصائص الديناميكية الحرارية العيانية للنظام: المتوسطات الزمنية لنظام ergodic تتوافق مع متوسطات المجموعة الدقيقة. كما أطلق على الديناميكا الجزيئية أيضًا اسم «الميكانيكا الإحصائية بالأرقام» و «رؤية لابلاس للميكانيكا النيوتونية» للتنبؤ بالمستقبل من خلال تحريك قوى الطبيعة  والسماح بإلقاء نظرة ثاقبة على الحركة الجزيئية على نطاق ذري.
تاريخ

تم تطوير الديناميكا الجزيئية في الأصل في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، بعد النجاحات السابقة في محاكاة مونت كارلو، والتي يعود تاريخها إلى القرن الثامن عشر، في مشكلة إبرة بوفون على سبيل المثال، ولكن تم نشرها في الميكانيكا الإحصائية في مختبر لوس ألاموس الوطني بواسطة روزنبلوث ومتروبوليس فيما يعرف اليوم بخوارزمية متروبوليس-هاستينغز. يعود الاهتمام بالتطور الزمني لأنظمة الجسم N إلى القرن السابع عشر، بدءًا من نيوتن، واستمر في القرن التالي إلى حد كبير مع التركيز على الميكانيكا السماوية وقضايا مثل استقرار النظام الشمسي. تم تطوير العديد من الأساليب العددية المستخدمة اليوم خلال هذه الفترة الزمنية، والتي سبقت استخدام أجهزة الكمبيوتر؛ على سبيل المثال، خوارزمية التكامل الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم، خوارزمية تكامل فيرليت، تم استخدامها في وقت مبكر من عام 1791 بواسطة جان باتيست جوزيف ديلامبر. يمكن اعتبار الحسابات العددية باستخدام هذه الخوارزميات الديناميكا الجزيئية «يدويًا».
في وقت مبكر من عام 1941، تم تنفيذ تكامل معادلات الحركة للعديد من الأجسام مع أجهزة الكمبيوتر التناظرية. قام البعض بعمل كثيف العمالة لنمذجة الحركة الذرية من خلال بناء نماذج فيزيائية، على سبيل المثال، باستخدام المجالات العيانية. كان الهدف هو ترتيبها بطريقة تماثل بنية السائل واستخدامه لفحص سلوكه. برنال قال في عام 1962: «. . . أخذت عددًا من الكرات المطاطية وغرستهم معًا بقضبان بأطوال مختلفة تتراوح من 2.75 إلى 4 بوصات. حاولت القيام بذلك في المقام الأول بشكل عرضي قدر الإمكان، حيث أعمل في مكتبي الخاص، وأتعرض للمقاطعة كل خمس دقائق أو نحو ذلك ولا أتذكر ما فعلته قبل المقاطعة.»
بعد اكتشاف الجسيمات المجهرية وتطوير أجهزة الكمبيوتر، توسع الاهتمام إلى ما وراء إثبات أنظمة الجاذبية إلى الخصائص الإحصائية للمادة. في محاولة لفهم أصل اللارجعة، اقترح فيرمي في عام 1953، ونشر في عام 1955،  استخدام مانياك، أيضًا في مختبر لوس ألاموس الوطني، لحل التطور الزمني لمعادلات الحركة للعديد من: يخضع نظام الجسم للعديد من خيارات قوانين القوة؛ اليوم، يُعرف هذا العمل الأساسي بمشكلة فيرمي - باستا - أولام - تسينغو. يظهر التطور الزمني للطاقة من العمل الأصلي في الشكل إلى اليمين.
في عام 1957، استخدم بيرني ألدر ووينرايت  حاسوب آي بي إم 704 لمحاكاة التصادمات المرنة تمامًا بين المجالات الصلبة. في عام 1960، ربما في أول محاكاة واقعية للمادة، جيبسون وآخرون. محاكاة التلف الإشعاعي للنحاس الصلب باستخدام نوع ولد ماير من التفاعل البغيض مع قوة سطحية متماسكة. في عام 1964، نشر عبد الرحمن  محاكاة للأرجون السائل تستخدم كمون لينارد جونز. مقارنة حسابات خصائص النظام، مثل معامل الانتشار الذاتي، بشكل جيد مع البيانات التجريبية.
قيود التصميم

يجب أن يأخذ تصميم محاكاة الديناميكيات الجزيئية في الاعتبار القوة الحسابية المتاحة. يجب تحديد حجم المحاكاة (n = عدد الجسيمات)، والوقت، والمدة الزمنية الإجمالية بحيث يمكن إنهاء الحساب في غضون فترة زمنية معقولة. ومع ذلك، يجب أن تكون عمليات المحاكاة طويلة بما يكفي لتكون ذات صلة بالمقاييس الزمنية للعمليات الطبيعية قيد الدراسة. للحصول على استنتاجات صحيحة إحصائيًا من عمليات المحاكاة، يجب أن يتطابق المدى الزمني الذي تمت محاكاته مع حركية العملية الطبيعية. خلافًا لذلك، يكون الأمر مشابهًا للتوصل إلى استنتاجات حول كيفية سير الإنسان عندما ينظر فقط إلى أقل من خطوة واحدة. تستخدم معظم المنشورات العلمية حول ديناميكيات البروتينات والحمض النووي  بيانات من عمليات المحاكاة التي تمتد نانوثانية (10 −9 ثوانٍ) إلى ميكروثانية (10 6 ثوانٍ). للحصول على هذه المحاكاة، هناك حاجة إلى عدة أيام من وحدة المعالجة المركزية إلى سنوات وحدة المعالجة المركزية. تسمح الخوارزميات المتوازية بتوزيع الحمل بين وحدات المعالجة المركزية؛ مثال على ذلك هو خوارزمية التحلل المكاني أو القوة.
أثناء محاكاة الديناميكا الجزيئية الكلاسيكية، فإن المهمة الأكثر كثافة لوحدة المعالجة المركزية هي تقييم الإمكانات كدالة للإحداثيات الداخلية للجسيمات. ضمن تقييم الطاقة هذا، يكون الجزء الأغلى هو الجزء غير المترابط أو غير التساهمي. في الكبير O التدوين، وديناميات الجزيئية المشتركة المحاكاة على نطاق و من قبل  O(n^{2}) إذا كان كل الزوج الحكيم كهرباء وفان دير فال التفاعلات يجب أن تمثل بشكل واضح. يمكن تقليل هذه التكلفة الحسابية عن طريق استخدام طرق الكهرباء الساكنة مثل شبكة الجسيمات بتلخيص ايوالد ( O(n\log(n))) أو الجسيمات - الجسيمات - الجسيمات - الشبكة (P3M)، أو طرق القطع الكروية الجيدة ( O(n)).
هناك عامل آخر يؤثر على إجمالي وقت وحدة المعالجة المركزية الذي تحتاجه المحاكاة وهو حجم الخطوة الزمنية للتكامل. هذه هي المدة الزمنية بين تقييمات الإمكانات. يجب اختيار الخطوة الزمنية صغيرة بما يكفي لتجنب أخطاء التقدير (أي أصغر من الفترة المتعلقة بأسرع تردد اهتزازي في النظام). الخطوات الزمنية النموذجية لـ الديناميكا الجزيئية الكلاسيكي بترتيب 1 فيمتوثانية (10 - 15 ثانية). يمكن توسيع هذه القيمة باستخدام الخوارزميات مثل خوارزمية قيود شيك، والتي تثبت اهتزازات الذرات الأسرع (على سبيل المثال، الهيدروجين) في مكانها. تم أيضًا تطوير طرق متعددة للمقياس الزمني، والتي تتيح فترات ممتدة بين تحديثات القوى البعيدة المدى الأبطأ.
لمحاكاة الجزيئات في مذيب، يجب الاختيار بين المذيب الصريح والضمني. يجب حساب جسيمات المذيبات الصريحة (مثل نماذج المياه TIP3P  ‏ و SPC / E وSPC-f) بشكل مكلف عن طريق مجال القوة، بينما تستخدم المذيبات الضمنية نهج المجال المتوسط. يعد استخدام مذيب صريح مكلفًا من الناحية الحسابية، ويتطلب تضمين ما يقرب من عشرة أضعاف الجسيمات في المحاكاة. لكن حبيبات ولزوجة المذيب الصريح ضروريان لإعادة إنتاج خصائص معينة للجزيئات الذائبة. هذا مهم بشكل خاص لإعادة إنتاج الخواص الحركية الكيميائية.
في جميع أنواع محاكاة الديناميكيات الجزيئية، يجب أن يكون حجم صندوق المحاكاة كبيرًا بما يكفي لتجنب آثار حالة الحدود. غالبًا ما يتم التعامل مع شروط الحدود عن طريق اختيار القيم الثابتة عند الحواف (والتي قد تسبب تشوهات)، أو عن طريق استخدام شروط الحدود الدورية حيث يعود جانب واحد من حلقات المحاكاة إلى الجانب الآخر، ومحاكاة مرحلة مجمعة (والتي قد تسبب آثارًا أيضًا).
قيود التصميم > مجموعة متناهية الصغر (NVE)

في المجموعة المتناهية الصغر، يتم عزل النظام عن التغيرات في الشامات (N) والحجم (V) والطاقة (E). يتوافق مع عملية ثابتة الحرارة بدون تبادل حراري. يمكن النظر إلى مسار الديناميات الجزيئية المتناهية الصغر على أنه تبادل للطاقة الكامنة والحركية، مع الحفاظ على إجمالي الطاقة. لنظام من الجسيمات N مع الإحداثيات  X والسرعات  V، يمكن كتابة الزوج التالي من المعادلات التفاضلية من الدرجة الأولى في تدوين نيوتن كـ
وظيفة الطاقة الكامنة  U(X) النظام هو دالة إحداثيات الجسيمات  X . يشار إليه ببساطة على أنه الإمكانات في الفيزياء، أو مجال القوة في الكيمياء. تأتي المعادلة الأولى من قوانين نيوتن للحركة. القوة  F يمكن حساب التأثير على كل جسيم في النظام على أنه التدرج السالب لـ  U(X) .
لكل خطوة زمنية، موضع كل جسيم  X والسرعة  V قد تتكامل مع طريقة تكامل سيمبلكتيك مثل تكامل فيرلت. التطور الزمني ل  X و  V يسمى المسار. بالنظر إلى المواقف الأولية (على سبيل المثال، من المعرفة النظرية) والسرعات (على سبيل المثال، غاوسي العشوائي)، يمكننا حساب جميع المواقف والسرعات المستقبلية (أو السابقة).
أحد مصادر الالتباس المتكررة هو معنى درجة الحرارة في الديناميكا الجزيئية. عادة لدينا خبرة في درجات الحرارة العيانية، والتي تنطوي على عدد كبير من الجسيمات. لكن درجة الحرارة هي كمية إحصائية. إذا كان هناك عدد كبير بما يكفي من الذرات، فيمكن تقدير درجة الحرارة الإحصائية من درجة الحرارة اللحظية، والتي يتم العثور عليها من خلال مساواة الطاقة الحركية للنظام بـ nk B T / 2 حيث n هو عدد درجات الحرية للنظام.
تنشأ ظاهرة مرتبطة بدرجة الحرارة بسبب قلة عدد الذرات المستخدمة في محاكاة الديناميكا الجزيئية. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك محاكاة نمو فيلم نحاسي بدءًا من ركيزة تحتوي على 500 ذرة وطاقة ترسيب تبلغ 100 فولت. في العالم الحقيقي، سيتم نقل 100 فولت من الذرة المودعة بسرعة ومشاركتها بين عدد كبير من الذرات ( 10^{10} أو أكثر) دون تغيير كبير في درجة الحرارة. عندما يكون هناك 500 ذرة فقط، فإن الركيزة تتبخر على الفور تقريبًا بواسطة الترسب. يحدث شيء مشابه في عمليات المحاكاة الفيزيائية الحيوية. يتم رفع درجة حرارة النظام في (NVE) بشكل طبيعي عندما تخضع الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات لتغيرات وترابط طارد للحرارة.
قيود التصميم > المجموعة المتعارف عليها (NVT)

في المجموعة المتعارف عليها، يتم حفظ كمية المادة (N) والحجم (V) ودرجة الحرارة (T). كما يطلق عليه أحيانًا الديناميكيات الجزيئية ذات درجة الحرارة الثابتة (CTالديناميكا الجزيئية). في (NVT)، يتم تبادل طاقة العمليات الماصة للحرارة والطاردة للحرارة مع منظم الحرارة.
تتوفر مجموعة متنوعة من خوارزميات الترموستات لإضافة الطاقة وإزالتها من حدود محاكاة الديناميكا الجزيئية بطريقة أكثر أو أقل واقعية، بالقرب من المجموعة المتعارف عليها. تشمل الأساليب الشائعة للتحكم في درجة الحرارة إعادة قياس السرعة، ترموستات نوزيه هوفر، وسلاسل نوزيه هوفر، وترموستات بيرندسن، وديناميكيات أندرسن ولانجفين. قد يقدم منظم الحرارة بيرندسن تأثير مكعب الثلج الطائر، والذي يؤدي إلى ترجمات غير مادية وتناوب للنظام المحاكي.
ليس من التافه الحصول على توزيع متعارف عليه للمطابقة والسرعات باستخدام هذه الخوارزميات. كيف يعتمد ذلك على حجم النظام واختيار منظم الحرارة ومعلمات منظم الحرارة وخطوة الوقت والمتكامل هو موضوع العديد من المقالات في هذا المجال.
قيود التصميم > مجموعة متساوية الحرارة متساوية الضغط (NPT)

يتم الحفاظ على كمية المادة (N) والضغط (P) ودرجة الحرارة (T) في المجموعة متساوي الحرارة - متساوي الضغط. بالإضافة إلى منظم الحرارة، هناك حاجة إلى باروستات. يتوافق بشكل وثيق مع ظروف المختبر مع وجود دورق مفتوح لدرجة الحرارة والضغط المحيطين.
في محاكاة الأغشية البيولوجية، فإن التحكم في الضغط الخواص غير مناسب. بالنسبة لطبقات الدهون الثنائية، يحدث التحكم في الضغط تحت منطقة غشاء ثابتة (NPAT) أو توتر سطحي ثابت «جاما» (NPγT).
قيود التصميم > المجموعات المعممة

طريقة تبادل النسخ المتماثلة هي مجموعة معممة. تم إنشاؤه في الأصل للتعامل مع الديناميكيات البطيئة لأنظمة الدوران المضطربة. يطلق عليه أيضًا التقسية الموازية. تحاول صياغة الديناميكا الجزيئية للتبادل المتماثل  التغلب على مشكلة الحدود الدنيا المتعددة من خلال تبادل درجة حرارة النسخ المتماثلة غير المتفاعلة للنظام التي تعمل في درجات حرارة متعددة.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية

تتطلب محاكاة الديناميكيات الجزيئية تعريف وظيفة محتملة، أو وصفًا للمصطلحات التي تتفاعل بها الجسيمات في المحاكاة. في الكيمياء والبيولوجيا، يُشار إلى هذا عادةً باسم مجال القوة وفي فيزياء المواد على أنه جهد بين الذرات. يمكن تحديد الإمكانات على مستويات عديدة من الدقة المادية؛ تلك الأكثر شيوعًا في الكيمياء تعتمد على الميكانيكا الجزيئية وتجسد العلاج الميكانيكي الكلاسيكي لتفاعلات الجسيمات والجسيمات التي يمكن أن تعيد إنتاج التغييرات الهيكلية والتكوينية ولكن لا يمكنها عادةً إعادة إنتاج التفاعلات الكيميائية.
يستلزم الاختزال من الوصف الكمي الكامل إلى الإمكانات الكلاسيكية تقريبيين رئيسيين. الأول هو تقريب بورن أوبنهايمر، الذي ينص على أن ديناميكيات الإلكترونات سريعة جدًا بحيث يمكن اعتبارها تتفاعل على الفور مع حركة نواتها. نتيجة لذلك، يمكن معاملتهم بشكل منفصل. الثاني يتعامل مع النوى، وهي أثقل بكثير من الإلكترونات، على أنها جسيمات نقطية تتبع الديناميكيات النيوتونية الكلاسيكية. في الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية، يتم تقريب تأثير الإلكترونات كسطح طاقة كامن، وعادة ما يمثل الحالة الأرضية.
عندما تكون هناك حاجة إلى مستويات أدق من التفاصيل، يتم استخدام الإمكانات القائمة على ميكانيكا الكم ؛ تحاول بعض الطرق إنشاء إمكانات كلاسيكية / كمومية هجينة حيث يتم معالجة الجزء الأكبر من النظام بشكل كلاسيكي ولكن يتم التعامل مع منطقة صغيرة كنظام كمي، وعادةً ما تخضع لعملية تحول كيميائي.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > الإمكانات التجريبية

كثيرا ما تسمى الإمكانات التجريبية المستخدمة في الكيمياء مجالات القوة، في حين أن تلك المستخدمة في فيزياء المواد تسمى الجهود بين الذرية.
معظم مجالات القوة في الكيمياء تجريبية وتتكون من مجموع القوى المرتبطة المرتبطة بالروابط الكيميائية وزوايا الرابطة وثنائيات السندات والقوى غير المرتبطة المرتبطة بقوى فان دير فال والشحنة الكهروستاتيكية. تمثل الإمكانات التجريبية تأثيرات ميكانيكا الكم بطريقة محدودة من خلال التقريبات الوظيفية المخصصة. تحتوي هذه الإمكانات على معلمات مجانية مثل الشحنة الذرية، ومعلمات فان دير فالس التي تعكس تقديرات نصف القطر الذري، وطول رابطة التوازن، والزاوية، وثنائي السطوح ؛ يتم الحصول عليها عن طريق التوافق مع الحسابات الإلكترونية التفصيلية (المحاكاة الكيميائية الكمومية) أو الخصائص الفيزيائية التجريبية مثل الثوابت المرنة والمعلمات الشبكية والقياسات الطيفية.
بسبب الطبيعة غير المحلية للتفاعلات غير المرتبطة، فإنها تنطوي على تفاعلات ضعيفة على الأقل بين جميع الجسيمات في النظام. عادة ما يكون حسابه هو عنق الزجاجة في سرعة محاكاة الديناميكا الجزيئية. لخفض التكلفة الحسابية، تستخدم حقول القوة تقديرات تقريبية رقمية مثل نصف قطر القطع المغير، أو خوارزميات مجال التفاعل، أو تجميع ايوالد لشبكة الجسيمات، أو شبكة الجسيمات والجسيمات والجسيمات الأحدث (P3M).
تستخدم حقول القوة الكيميائية عادةً ترتيبات ارتباط محددة مسبقًا (استثناء هو ديناميكيات طرق كيمياء الكم)، وبالتالي فهي غير قادرة على نمذجة عملية كسر الرابطة الكيميائية والتفاعلات بشكل صريح. من ناحية أخرى، يمكن للعديد من الإمكانات المستخدمة في الفيزياء، مثل تلك القائمة على شكلية ترتيب السندات، أن تصف عدة تنسيقات مختلفة للنظام وكسر الرابطة. تتضمن أمثلة هذه الإمكانات إمكانات برينر  للهيدروكربونات وتطوراتها الإضافية لأنظمة C-Si-H  و COH. يمكن اعتبار إمكانات  هجينًا كامل التفاعل بين إمكانات ترتيب الرابطة ومجالات القوة الكيميائية.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > قم بإقران الإمكانات مقابل إمكانات الأجسام المتعددة

تتم صياغة الوظائف المحتملة التي تمثل الطاقة غير المرتبطة كمجموع على التفاعلات بين جسيمات النظام. أبسط خيار، مستخدم في العديد من مجالات القوة الشائعة، هو «جهد الزوج»، حيث يمكن حساب إجمالي الطاقة الكامنة من مجموع مساهمات الطاقة بين أزواج الذرات. لذلك، تسمى حقول القوة هذه أيضًا «حقول القوة المضافة». مثال على مثل هذا الزوج المحتمل هو احتمال جهد لينارد-جونز غير المرتبط (يُطلق عليه أيضًا احتمال 6-12)، المستخدم لحساب قوى فان دير فال.
مثال آخر هو نموذج Born (الأيوني) للشبكة الأيونية. المصطلح الأول في المعادلة التالية هو قانون كولوم لزوج من الأيونات، والمصطلح الثاني هو التنافر قصير المدى الذي شرحه مبدأ استبعاد باولي والمصطلح الأخير هو مصطلح تفاعل التشتت. عادةً ما تتضمن المحاكاة المصطلح ثنائي القطب فقط، على الرغم من تضمين المصطلح رباعي الأقطاب في بعض الأحيان. عندما ن ل = 6، وتسمى هذه الإمكانية أيضا إمكانية كولوم-باكنغهام.
في إمكانات الجسم المتعددة، تشتمل الطاقة الكامنة على تأثيرات ثلاثة أو أكثر من الجسيمات التي تتفاعل مع بعضها البعض. في عمليات المحاكاة ذات الإمكانات الزوجية، توجد أيضًا تفاعلات عالمية في النظام، ولكنها تحدث فقط من خلال المصطلحات الزوجية. في إمكانات الأجسام المتعددة، لا يمكن العثور على الطاقة الكامنة بمجموع على أزواج من الذرات، حيث يتم حساب هذه التفاعلات بشكل صريح على أنها مزيج من المصطلحات ذات الترتيب الأعلى. في العرض الإحصائي، لا يمكن التعبير عن التبعية بين المتغيرات بشكل عام باستخدام المنتجات المزدوجة فقط من درجات الحرية. على سبيل المثال، إمكانات تيرسوف،  التي كانت تُستخدم في الأصل لمحاكاة الكربون، والسيليكون، والجرمانيوم، ومنذ ذلك الحين تم استخدامها لمجموعة واسعة من المواد الأخرى، تتضمن مجموع مجموعات من ثلاث ذرات، مع وجود زوايا بين الذرات عامل مهم في الإمكانات. ومن الأمثلة الأخرى طريقة الذرة المدمجة (EAM)،  (EDIP)،  وإمكانات تقريب اللحظات الثانية المحكم الربط (TBSMA)،  حيث تكون كثافة الإلكترون للحالات في منطقة الذرة هي محسوبة من مجموع المساهمات من الذرات المحيطة، وبالتالي فإن مساهمة الطاقة الكامنة هي دالة لهذا المجموع.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > الإمكانات شبه التجريبية

تستفيد الإمكانات شبه التجريبية من تمثيل المصفوفة من ميكانيكا الكم. ومع ذلك، يتم العثور على قيم عناصر المصفوفة من خلال الصيغ التجريبية التي تقدر درجة التداخل في المدارات الذرية المحددة. يتم بعد ذلك مائل المصفوفة لتحديد شغل المدارات الذرية المختلفة، ويتم استخدام الصيغ التجريبية مرة أخرى لتحديد مساهمات الطاقة في المدارات.
هناك مجموعة متنوعة من الإمكانات شبه التجريبية، تسمى إمكانات الربط المحكم، والتي تختلف وفقًا للذرات التي يتم نمذجتها.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > إمكانات الاستقطاب

تتضمن معظم مجالات القوة الكلاسيكية ضمنيًا تأثير الاستقطاب، على سبيل المثال، عن طريق زيادة الشحنات الجزئية التي تم الحصول عليها من الحسابات الكيميائية الكمومية. هذه الشحنات الجزئية ثابتة بالنسبة إلى كتلة الذرة. ولكن يمكن لمحاكاة الديناميات الجزيئية أن تكون نموذجًا صريحًا لقابلية الاستقطاب مع إدخال ثنائيات الأقطاب المستحثة من خلال طرق مختلفة، مثل الجسيمات الدقيقة أو الشحنات المتقلبة. هذا يسمح بإعادة التوزيع الديناميكي للشحنة بين الذرات والتي تستجيب للبيئة الكيميائية المحلية.
لسنوات عديدة، تم وصف عمليات محاكاة الديناميكا الجزيئية القابلة للاستقطاب على أنها الجيل التالي. بالنسبة للسوائل المتجانسة مثل الماء، تم تحقيق دقة متزايدة من خلال إدراج قابلية الاستقطاب. كما تم تحقيق بعض النتائج الواعدة للبروتينات. ومع ذلك، لا يزال من غير المؤكد أفضل طريقة لتقريب الاستقطاب في المحاكاة.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > الإمكانات في طرق كيمياء الكم

في الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية، يتم تمثيل سطح طاقة كامنة (عادةً الحالة الأرضية) في مجال القوة. هذا نتيجة لتقريب بورن أوبنهايمر. في الحالات المثارة أو التفاعلات الكيميائية أو عند الحاجة إلى تمثيل أكثر دقة، يمكن الحصول على السلوك الإلكتروني من المبادئ الأولى باستخدام طريقة ميكانيكا الكم، مثل نظرية الكثافة الوظيفية. يسمى هذا الديناميكيات الجزيئية لكيمياء الكم. نظرًا لتكلفة معالجة درجات الحرية الإلكترونية، فإن العبء الحسابي لهذه المحاكاة أعلى بكثير من الديناميكيات الجزيئية التقليدية. لهذا السبب، عادةً ما يقتصر نظام الديناميكا الجزيئية على أنظمة أصغر وأوقات أقصر.
يمكن استخدام الطرق الميكانيكية والكيميائية الكمومية للمبتدئين لحساب الطاقة الكامنة لنظام أثناء الطيران، حسب الحاجة للتوافق في المسار. يتم إجراء هذا الحساب عادةً في الجوار القريب لإحداثيات التفاعل. على الرغم من أنه يمكن استخدام تقديرات تقريبية مختلفة، إلا أنها تستند إلى اعتبارات نظرية، وليس على ملاءمة تجريبية. تنتج حسابات كيمياء الكم قدرًا هائلاً من المعلومات غير المتوفرة من الأساليب التجريبية، مثل كثافة الحالات الإلكترونية أو الخصائص الإلكترونية الأخرى. من المزايا المهمة لاستخدام طرق كيمياء الكم القدرة على دراسة التفاعلات التي تتضمن كسر أو تكوين روابط تساهمية، والتي تتوافق مع حالات إلكترونية متعددة. علاوة على ذلك، تسمح طرق كيمياء الكم أيضًا باستعادة التأثيرات التي تتجاوز تقريب بورن-أوبنهايمر باستخدام مناهج مثل الديناميكيات الكمومية الكلاسيكية المختلطة.
الإمكانات في محاكاة الديناميكا الجزيئية > هجين QM / MM

تعتبر طرق QM (ميكانيكا الكم) قوية جدًا. ومع ذلك، فهي مكلفة من الناحية الحسابية، في حين أن طرق MM (الميكانيكا الكلاسيكية أو الجزيئية) سريعة ولكنها تعاني من عدة حدود (تتطلب معايير واسعة النطاق ؛ تقديرات الطاقة التي تم الحصول عليها ليست دقيقة للغاية ؛ لا يمكن استخدامها لمحاكاة التفاعلات حيث يتم كسر / تشكيل الروابط التساهمية ؛ ومحدودي قدراتهم على تقديم تفاصيل دقيقة فيما يتعلق بالبيئة الكيميائية). ظهرت فئة جديدة من الأساليب التي تجمع بين النقاط الجيدة في حسابات QM (الدقة) و MM (السرعة). تسمى هذه الطرق طرق ميكانيكا الكم الميكانيكية والجزيئية المختلطة أو المختلطة (الهجين QM / MM).
إن أهم ميزة لطريقة إدارة الجودة (QM / MM) الهجينة هي السرعة. تكلفة عمل الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية (MM) في مقاييس الحالة الأكثر وضوحًا O (n 2)، حيث n هو عدد الذرات في النظام. هذا يرجع أساسًا إلى مصطلح التفاعلات الكهروستاتيكية (يتفاعل كل جسيم مع كل جسيم آخر). ومع ذلك، فإن استخدام نصف قطر القطع والتحديثات الدورية لقائمة الأزواج ومؤخرًا الاختلافات في طريقة شبكة الجسيمات ايوالد (PME) قد قلل هذا إلى ما بين O (n) إلى O (n 2). بمعنى آخر، إذا تمت محاكاة نظام به ضعف عدد الذرات، فسيستغرق ما بين ضعفين إلى أربعة أضعاف قوة الحوسبة. من ناحية أخرى، فإن أبسط حسابات كيمياء الكم مقياس نموذجي O (n 3) أو أسوأ (تم اقتراح حسابات هارتري فوك المقيدة لتوسيع نطاق ~ O (n 2.7)). للتغلب على هذا الحد، يتم التعامل مع جزء صغير من النظام ميكانيكيًا (عادةً موقع نشط من الإنزيم) ويتم معالجة النظام المتبقي بشكل كلاسيكي.
في التطبيقات الأكثر تعقيدًا، توجد طرق QM / MM لمعالجة كل من النوى الخفيفة المعرضة للتأثيرات الكمومية (مثل الهيدروجين) والحالات الإلكترونية. هذا يسمح بتوليد وظائف موجات الهيدروجين (على غرار وظائف الموجة الإلكترونية). كانت هذه المنهجية مفيدة في التحقيق في ظواهر مثل نفق الهيدروجين. أحد الأمثلة حيث قدمت طرق QM / MM اكتشافات جديدة هو حساب نقل الهيدريد في إنزيم نازع هيدروجين الكحول في الكبد. في هذه الحالة، نفق الكم مهم للهيدروجين، لأنه يحدد معدل التفاعل.
دمج تأثيرات المذيبات

في العديد من عمليات محاكاة نظام المذيب المذاب، ينصب التركيز الرئيسي على سلوك المذاب مع القليل من الاهتمام بسلوك المذيب خاصة في جزيئات المذيب الموجودة في مناطق بعيدة عن الجزيء المذاب. قد تؤثر المذيبات على السلوك الديناميكي للمذابات من خلال الاصطدامات العشوائية وفرض مقاومة احتكاكية على حركة المذاب عبر المذيب. يمكن أن يساعد استخدام شروط الحدود الدورية غير المستطيلة والحدود العشوائية وأغلفة المذيبات في تقليل عدد جزيئات المذيبات المطلوبة وتمكين نسبة أكبر من وقت الحوسبة ليتم إنفاقها بدلاً من ذلك في محاكاة المذاب. من الممكن أيضًا دمج تأثيرات المذيب دون الحاجة إلى وجود أي جزيئات مذيب واضحة. أحد الأمثلة على هذا النهج هو استخدام القوة المتوسطة المحتملة (PMF) التي تصف كيفية تغير الطاقة الحرة كتنوع إحداثيات معينة. يحتوي تغيير الطاقة الحرة الموصوف بواسطة (PMF) على متوسط تأثيرات المذيب.
قوى بعيدة المدى

التفاعل طويل المدى هو تفاعل لا يسقط فيه التفاعل المكاني أسرع من  r^{-d} أين  d هي أبعاد النظام. تشمل الأمثلة تفاعلات الشحنة والشحنة بين الأيونات وتفاعلات ثنائي القطب بين الجزيئات. تمثل نمذجة هذه القوى تحديًا كبيرًا لأنها كبيرة على مسافة قد تكون أكبر من نصف طول الصندوق مع محاكاة لعدة آلاف من الجسيمات. على الرغم من أن أحد الحلول سيكون زيادة حجم طول الصندوق بشكل كبير، إلا أن أسلوب القوة الغاشمة هذا أقل من مثالي لأن المحاكاة ستصبح باهظة الثمن من الناحية الحسابية. إن اقتطاع الإمكانات كرويًا هو أيضًا غير وارد حيث يمكن ملاحظة السلوك غير الواقعي عندما تكون المسافة قريبة من مسافة القطع.