Sophia

關鍵詞：GROMACS；冰；拉伸; 分子動力學模擬

冰（尤其是六方冰?Ih）的微觀力學性能直接影響到極地工程、寒區交通、冷熱循環材料以及航空航天器在超低溫環境中的安全與可靠性。傳統宏觀實驗很難捕獲納米尺度下冰的裂紋萌生與氫鍵斷裂細節，而分子動力學（MD）模擬恰能在原子層面揭示這些本質機理。借助?GROMACS?這一高性能開源 MD模擬軟件，我們在本案例中對?Ih冰進行拉伸模擬，可視化冰晶格在不同應變階段的演變，為設計抗脆裂冰結構與調控極端低溫材料性能提供前瞻性思路。

初始模型的構建

水的相圖非常復雜 (圖1)，而Ih型冰是常壓下冰的最穩定的晶型，因此在本案例中我們的研究對象為Ih型冰。

圖1 水的相圖

Hayward 和Reimers在J.Chem.Phys.,106,1518 (1997) 中詳細討論了如何得到不同約束條件下Ih冰的結構，并給出了幾個常用Ih結構的坐標文件，可用于快速搭建冰的模型。我們選用的冰晶胞的初始模型如圖2所示：

圖2 冰晶胞模型

在本案例中，我們考察冰晶胞在200ps內伸長3nm的過程。用tip4p-ice描述水，溫度控制在250K，采用NPT系綜。為了實現拉伸模擬，我們需要在參數控制文件中加入以下參數：deform= 0 0 0.015 0 0 0 采用半各向異性控壓，部分參數如圖3所示：

圖3 部分mdp參數

模擬結果分析

經過能量最小化和200ps的模擬后，我們可以考察冰晶格的變化，如圖4所示。可以看到，在拉伸35ps時冰晶胞即將被破壞，到200 ps的時候已經完全破壞了。還可以考察冰拉伸過程中的能量變化，可以看到拉伸過程中系統的能量一直在升高，如圖5所示。

圖4 拉伸過程冰晶胞的變化

圖5 拉伸過程冰晶胞的能量變化

結語

通過GROMACS分子動力學模擬，本案例成功探究了冰晶胞拉伸的演變過程。對于相關領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，可以為解決實際問題提供理論依據和技術支持。

最后，有相關需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡。