關(guān)鍵詞：GROMACS；電場；水球; 分子動力學(xué)；packmol

在材料科學(xué)、電氣工程以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水球行為在外加電場下的變化具有重要意義。電場對水分子的影響不僅關(guān)系到液體的表面張力，還與電介質(zhì)的性能、微流控技術(shù)的應(yīng)用及生物細(xì)胞的電場響應(yīng)等問題密切相關(guān)。因此，通過分子動力學(xué)（MD）模擬研究電場下水球行為成為一種有效且精確的手段。而GROMACS作為一種高效的開源MD模擬軟件，在模擬液體在外場影響下的行為方面具有強(qiáng)大的技術(shù)支持。本案例基于GROMACS，研究水分子在外加電場強(qiáng)度下的形狀演變。

初始模型的構(gòu)建

在本案例中，我們模擬對象為純水納米水球，水分子采用spce水模型。首先創(chuàng)建3*3*3nm的水盒子：

gmx solvate -box 3 3 3 -o waterbox.gro

增大盒子的尺寸，往外擴(kuò)展出真空區(qū)域

gmx editconf -f waterbox.gro -o newbox.gro -box 10 10 10

創(chuàng)建的初始納米水滴模型如圖1所示：

圖1 初始納米水球模型

添加外電場

添加電場設(shè)定electric-field-x=2.5 0 0 0, 代表在X正方向加2.5V/nm的電場強(qiáng)度，也可以在Y,Z方向設(shè)置（electric-field-y, electric-field-z）。部分參數(shù)文件如圖2所示：

圖2 外場設(shè)置的部分參數(shù)文件

溫度設(shè)置采用V-rescale熱浴，恒定在298.15K，部分參數(shù)文件如圖3所示：

圖3 溫度設(shè)置的部分參數(shù)文件

模擬結(jié)果分析

經(jīng)過能量最小化和200ps的平衡模擬后，我們可以觀察到，在外加電場下，球形的納米水球沿著電場方向逐漸被拉長，如圖4所示：

圖4 電場下納米水球的演變過程

我們進(jìn)一步采用h2order命令統(tǒng)計不同Z層內(nèi)的水計算平均偶極矩矢量，并給出水的偶極矩矢量與Z軸夾角的cosine值的平均值。分子平均和時間平均都考慮。

圖5 水的平均偶極矩矢量和偶極矩矢量與Z軸夾角的cosine值

可以看到，水的平均偶極矩的X分量遠(yuǎn)大于其他兩個方向，體現(xiàn)出當(dāng)前水分子幾乎都順著X軸。水的偶極矩與Z軸夾角的cosine值的平均值十分接近于0（近乎垂直）也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

工業(yè)與科研應(yīng)用

本案例為電場下水球行為的模擬研究提供了重要的理論依據(jù)，并在多個領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景：

• 微流控技術(shù)：為微流控芯片中液滴控制與操作提供了理論支持，促進(jìn)了液滴微操作技術(shù)的發(fā)展。
• 材料科學(xué)：研究水分子在電場中的行為，幫助優(yōu)化電介質(zhì)材料的性能，特別是在電子器件和傳感器中的應(yīng)用。
• 生物醫(yī)學(xué)：為電場對細(xì)胞膜、微球和納米顆粒的影響研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于發(fā)展新的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。

結(jié)語

通過GROMACS分子動力學(xué)模擬，本案例成功探究了電場作用下水球行為的演變過程。對于相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師來說，本案例提供了一個有力的工具，可以為解決實(shí)際問題提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

最后，如果您對于該案例感興趣，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)，獲取完整的案例支持與個性化定制解決方案！