基于GROMACS的石墨烯上纳米水滴分子动力学模拟

Sophia

从超疏水自清洁涂层到纳米流体输运，石墨烯–水界面的润湿行为一直是材料、能源与生物医学领域的前沿热点。相比于宏观接触角测试，分子动力学（MD）模拟能够直观揭示水滴内部氢键网络、界面水层取向及石墨烯表面微观粗糙度对润湿性的影响，为设计低阻尼微流芯片与防污膜材料提供原子级证据。GROMACS 作为当前效率最高的开源 MD 软件之一，为石墨烯体系提供了完备的力场与并行加速支持。本案例基于GROMACS，研究石墨烯表面纳米水滴的动力学行为。

初始模型的构建

首先通过VMD的Extensions-Modelling-Nanotube builder模块构建10*10nm的石墨烯结构，如图1所示：

图1 石墨烯结构

在gromacs中运行一下命令产生石墨烯的拓扑文件

gmx x2top -f GO.gro -o GO.top -ff select -name GO

选择G54A7力场

给石墨烯体系加水，运行以下命令：

Gmx solvate -cp GO.gro -o mix.gro -p top.top

得到的石墨烯-水混合体系如图2所示：

图2 石墨烯-水混合体系

用VMD载入mix.gro，将水分子进行选区，构建石墨烯-水滴模型，如图3所示：

图3 石墨烯-水滴结构

模拟结果分析

经过能量极小化和300ps的平衡模拟后，石墨烯上水滴的演变情况如图4和图5 所示：

图4 石墨烯-水滴模拟过程结构演变正视图

图5 石墨烯-水滴模拟过程结构演变俯视图

可以看到，经过200ps的模拟，由于表面张力的作用，一开始的矩形水滴逐渐演变成球形。

结语

本案例展示了基于 GROMACS 研究石墨烯表面纳米水滴的分子动力学模拟，为石墨烯–水界面研究提供了可复制、可扩展的模拟范式。