Mô hình hóa và mô phỏng lượng tử là phương pháp lý thuyết sử dụng các mô hình dựa trên các nguyên lý ban đầu của cơ học lượng tử, cho phép tính toán các đặc tính của hệ ở cấp độ nguyên tử, bao gồm cả các hệ không đạt tới bằng thực nghiệm. Qua đó ta không chỉ kiểm định, giải thích các thực nghiệm mà còn dự đoán về những hệ chưa có trên thực tế. Sẽ ngày càng trở nên phổ biến chuẩn thực hành là các thiết kế, quá trình trên vật liệu và ngay cả linh kiện phải được xử lý “ảo” trên “máy tính” trước khi nó được tiến hành trên thực tế. Xu thế “thí nghiệm ảo” này sẽ phát triển và lan tỏa mạnh đặc biệt là trong KH&CN Nano nơi đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp. Nhân tố thúc đẩy KH tính toán vật liệu là KH&CN Nano, với tâm điểm là kích thước. Khi kích thước giảm tới mức nm (10-9m), hiệu ứng lượng tử xuất hiện làm thay đổi đặc tính của vật liệu, e.g. mầu sắc ... , mà không phải thay đổi thành phần hoá học. Kích thước giảm, tỷ số bề mặt/thể tích tăng mạnh, hiệu ứng bề mặt xuất hiện là điều kiện lý tưởng cho linh kiện quang/điện tử nano, cho xúc tác hoá học, dự trữ năng lượng ... Vật liệu nano có các tính chất khác hẳn với nguyên tử riêng biệt đồng thời cũng khác xa so với vật liệu khối. Bởi vậy, có thể đưa thêm một chiều nữa cho bảng tuần hoàn các nguyên tố quy định tính chất vật liệu ngoài nguyên tử lượng và số điện tử hoá trị - số lượng nguyên tử trong cấu trúc.