Diferente das simulações computacionais de corpos macroscópicos que são frequentemente realizadas na engenharia, as modelagens e simulações nessa área de pesquisa são atomísticas. Cada átomo no material é descrito individualmente, assim como suas interações e efeitos quânticos. Além disso, são classificadas como de primeiros princípios (ou ab initio), já que são apenas baseados em aspectos fundamentais dos átomos e da estrutura cristalina. Não há nenhuma parametrização experimental baseada em cada material nessas simulações de primeiros princípios. Isso permite a previsão teórica de resultados que podem ser observados posteriormente.