最終更新日:2026-01-13
生成AIによる自動生成記事に関する免責事項: 本記事は、ユーザーとの対話において生成されたJavaScript/Reactによる分子動力学シミュレーションコードの解説記事です。記述されている物理モデル（Nose-Hoover法など）の実装は、教育および可視化を目的とした簡易的なものであり、厳密な学術研究用コードとは数値安定性や精度において異なる場合があります。
1. 概要
本記事では、Webブラウザ上で動作する分子動力学（MD）シミュレーションのデモンストレーションを公開します。 計算負荷の高い物理演算（力の計算や時間積分）を Web Worker にオフロードすることで、UIのレスポンスを損なうことなく、数百粒子の挙動をリアルタイムに可視化しています。
以下のシミュレーターでは、Lennard-Jonesポテンシャルで相互作用する粒子系に対し、Nose-Hoover法を用いた温度・圧力制御を行うことができます。
2. デモンストレーション
以下の画面でパラメータを操作し、相転移（固体・液体・気体）や圧力制御による体積変化を観察できます。
操作方法
- Ensemble:
NVT（体積一定）またはNPT（圧力一定）を選択できます。 - *Temperature (T)**: 設定温度を変更します。値を下げると凝固（結晶化）し、上げると融解・蒸発します。
- *Pressure (P)**: NPT選択時に有効。圧力を上げると系が圧縮されます。
- LJ Parameters: （粒子径）や （相互作用強度）を変更できます。
3. 数理的背景
本シミュレーションで使用している物理モデルの解説です。
3.1 相互作用モデル (Lennard-Jones Potential)
希ガスなどの単純液体を記述する標準的なモデルとして、以下のLennard-Jones (12-6) ポテンシャルを採用しています。
長距離相互作用はカットオフ距離 で打ち切り、周期境界条件（Periodic Boundary Conditions）を適用しています。
3.2 制御アルゴリズム (Nose-Hoover Method)
温度および圧力を制御するために、決定論的な拡張系法であるNose-Hoover法を実装しています。
- NVTアンサンブル: 熱浴変数 を導入し、運動方程式に摩擦項を加えることで温度を一定に保ちます。
- NPTアンサンブル: ピストン変数 を導入し、シミュレーションボックスの体積 を運動方程式と連動させて時間発展させることで、設定圧力と平衡化させます。
4. 実装のポイント
Web Workersによる並列化
JavaScriptのメインスレッドは描画（UI）を担当し、物理計算は別のスレッド（Web Worker）で実行しています。これにより、粒子数が多くなってもブラウザがフリーズすることなく、滑らかな操作感を実現しています。
リアルタイム物性解析
シミュレーション中、以下の物性値をバックグラウンドで計算・集計しています。
- 動径分布関数 (RDF): 粒子の構造（結晶・液体・気体）を特徴づけるヒストグラム。
- 平均二乗変位 (MSD): 粒子の拡散係数を見積もるための指標。
5. 結論
Web技術の進化により、これまでネイティブアプリケーションが必要だった科学計算の一部がブラウザ上で実行可能になりました。この技術は、教育用途やインタラクティブなデータ可視化において強力なツールとなります。