關鍵詞：GROMACS；NaCl；氣液界面; 分子動力學；packmol

海水淡化、海氣相互作用及儲能電解質等領域，需要研究鹽溶液在氣?液界面處的微觀結構和動態行為。相比宏觀實驗，分子動力學（MD）模擬可直接揭示 Na+、Cl- 以及水分子在界面處的分布與取向，為理解表面張力、離子特異性（Hofmeister 效應）等提供原子級證據。而GROMACS作為一種高效的開源MD模擬軟件，在模擬鹽水溶液氣液界面方面具有強大的技術支持。本案例基于GROMACS，研究氯化鈉氣液界面體系中離子和水分子的分布情況。

初始模型的構建

在本案例中，我們模擬對象為氯化鈉水溶液-真空體系，水分子采用spce水模型。首先創建3*3*3nm的水盒子：

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

增大盒子的尺寸，往外擴展出真空區域

gmx editconf -f waterbox.gro -o newbox.gro -box 3 3 8

把一部分水分子替換成20個Na+和20個Cl-離子：

gmx genion -s em.tpr -p top.top -o NaCl.gro -np 20 -nn 20

產生的初始模型如圖1所示：

圖1 氯化鈉水溶液-真空初始結構

模擬結果分析

經過能量極小化和5ns的平衡模擬后，其結構如圖2所示：

圖2 氯化鈉水溶液-真空平衡模擬后結構

統計Na+和Cl-離子在模擬期間沿著Z方向的數密度分布，如圖3所示，可以看到，界面處的Na+和Cl-離子的數密度分布比體相更高。

圖3 Na+ 離子和Cl-離子的數密度分布

我們也統計了水分子的數密度分布，如圖4所示。可以看到，由于水分子的數目遠多于離子，所以曲線要光滑很多。

圖4 水分子的數密度分布

圖5 水分子的電荷密度分布

還可以進一步統計水分子的電荷密度分布，如圖5所示。可以看到，由于H帶正電荷，O帶負電荷，因此意味著在界面處水分子傾向于用H原子朝著真空區。

結語

本案例展示了基于 GROMACS 的氯化鈉溶液氣?液界面 MD 模擬，為深入理解鹽溶液界面現象提供了可復制、可擴展的模擬范式。對于海水淡化膜研發、界面電化學或者大氣科學，均具有參考意義。

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”與我們聯絡，獲取完整的案例支持與個性化定制解決方案！