關(guān)鍵詞：GROMACS；油水；相分離; 分子動力學(xué)；packmol

在化學(xué)、材料科學(xué)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，油水相分離是一個重要的研究課題，廣泛應(yīng)用于石油開采、環(huán)境污染治理、化妝品配方優(yōu)化及生物膜研究等方向。由于油水界面的分子相互作用復(fù)雜，采用分子動力學(xué)（Molecular Dynamics, MD） 方法進(jìn)行模擬研究成為一種高效且精確的手段。而GROMACS作為高性能的開源MD模擬軟件，為研究油水界面張力、乳化劑作用、納米顆粒輔助分離等提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

本案例基于GROMACS，建立油水混合體系的分子動力學(xué)模型，模擬其在常溫下的自發(fā)相分離過程，并考察油分子的溶劑可及表面積的變化。

初始模型的構(gòu)建

在本案例中，我們采用烷烴（正十六烷） 作為油相，構(gòu)建一個油水混合初始體系。正十六烷采用GAFF力場，水分子采用OPC3 水模型。整個體系的初始狀態(tài)采用隨機(jī)分布的方式，以保證后續(xù)的模擬符合真實物理過程。正十六烷的結(jié)構(gòu)可以用Gview或者M(jìn)aterials studio進(jìn)行構(gòu)建，如圖1所示：

圖1 正十六烷的分子結(jié)構(gòu)

用Packmol軟件構(gòu)建800個水分子和50個正十六烷分子在5.0*5.0*5.0nm盒子中的均勻混合體系，Packmol輸入文件如圖2所示：

圖2 Packmol 輸入文件

建好的初始模型如圖3所示：

圖3 初始油水混合體系結(jié)構(gòu)

模擬結(jié)果分析

經(jīng)過能量最小化和2ns的平衡模擬后，我們可以觀察到，在無外界干預(yù)的條件下（常溫常壓），油水分子的相互作用（疏水作用）驅(qū)動體系自發(fā)發(fā)生相分離，逐漸形成油滴與水相的分層結(jié)構(gòu)。如圖4所示：

圖4油水混合體系相分離過程

我們進(jìn)一步統(tǒng)計正十六烷的溶劑可及表面積（SASA）的變化（圖5），發(fā)現(xiàn)正十六烷從一開始的混亂無序分布自發(fā)組裝成膜，SASA逐漸減小，到2ns時油分子膜已趨于平衡，說明該體系已自發(fā)完成了油水相分離過程。

圖5 正十六烷的溶劑可及表面積變化

工業(yè)與科研應(yīng)用

本案例通過分子動力學(xué)模擬，實現(xiàn)了油水體系自發(fā)相分離過程，該研究在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值：

• 石油工業(yè)：研究油水乳化、分離優(yōu)化，提高采油效率
• 環(huán)境科學(xué)：優(yōu)化油污水處理方法，減少污染
• 化妝品與食品科學(xué)：開發(fā)穩(wěn)定的乳液、乳化劑配方
• 生物醫(yī)學(xué)：探索生物膜與油水界面的相互作用

最后，有需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。