刘建川・GROMACS 实战课（专题七）-(氧化)石墨烯-纳米管-二氧化硅等周期性体系的构建方法

本课适合哪些人学习：

这套课程适合已经具备一定 GROMACS 基础，需要开展 石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、二氧化硅及其他周期性材料体系分子动力学模拟 的硕士、博士及科研人员。

尤其适合：

正在研究 石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、SiO₂ 等纳米材料体系 的用户

做 材料、化学、化工、能源、环境、界面与吸附模拟，需要建立固体基底或纳米材料模型的人

已经能在 VMD、Materials Studio 等软件中建立结构，但不知道如何进一步生成 GROMACS TOP / ITP 的人

使用 gmx x2top 时，不理解 n2t 文件、原子类型、成键关系和键长定义 的用户

不知道石墨烯、碳纳米管这类周期性材料应该怎样与 AMBER、OPLS-AA 等力场建立对应关系的人

需要自己处理 LJ 参数、键、键角、二面角力常数，而不是完全依赖现成拓扑文件的人

正在研究 表面修饰材料，例如氧化石墨烯中的羧基、环氧基、羟基，或表面羟基化二氧化硅的人

课程共分为 石墨烯与碳纳米管、氧化石墨烯、修饰二氧化硅 三个主要模块。

你会得到什么：

1｜真正理解 gmx x2top 为什么能生成材料拓扑

很多教程只会给出一句：

gmx x2top ...

但真正换成自己的体系后，经常就失败了。

关键问题在于：

GROMACS 怎么知道一个 C 原子应该和周围几个原子成键？

课程首先讲解 n2t 文件。

例如 n2t 中会定义：

结构中的原子名称

对应的力场 Atom Type

原子电荷

原子质量

周围连接原子数量

相邻原子名称

对应键长

也就是说，n2t 实际上承担了从几何结构到拓扑连接关系的重要桥梁。

学完以后，不再只是复制一个 x2top 命令，而是知道：

为什么能生成拓扑、生成错了应该检查哪里。

2｜掌握石墨烯和碳纳米管的 GROMACS 拓扑构建

课程首先通过 VMD 建立石墨烯结构，再准备对应力场和 n2t 文件。

石墨烯案例使用 amber99sb 进行演示，通过 n2t 将碳原子映射到相应原子类型，再利用：

gmx x2top

生成拓扑。

同时课程会涉及：

-kb：键力常数

-kt：键角力常数

-kp：二面角力常数

这些参数可以根据研究所采用的文献或力场参数进行替换，而不是认为软件默认值就是唯一答案。

碳纳米管部分则进一步以 OPLS-AA 为例，使用 opls_145 等原子类型处理 CNT 中的碳，并同样生成对应拓扑。

学员最终能够理解：

结构 → n2t → Atom Type → Bonded 参数 → LJ 参数 → TOP / ITP

这一整条链路。

3｜不只是纯石墨烯，还能进一步处理氧化石墨烯

很多真实研究并不是理想的纯石墨烯。

一旦加入：

—COOH

C—O—C

C—OH

等含氧官能团，拓扑构建就明显复杂起来。

课程针对氧化石墨烯单独建立 n2t 定义，对不同局部化学环境中的：

C、O、H

分别设置对应的原子类型、电荷、连接关系和键长。

然后继续通过 gmx x2top 生成氧化石墨烯拓扑，并特别强调：

检查体系总电荷

同时需要在 ffnonbonded.itp 中准备相应原子类型的 LJ 参数；讲义也明确指出，这些参数可根据实际研究替换为相应文献参数。

这对研究：

氧化石墨烯吸附

聚合物—石墨烯复合体系

药物/污染物在 GO 表面的吸附

水、离子与氧化石墨烯界面

等体系会更有实际意义。

4｜掌握修饰二氧化硅周期性模型的构建思路

课程第三部分进一步扩展到 SiO₂。

首先利用 Materials Studio：

导入二氧化硅晶体

→ 切面

→ 扩胞

→ 调整为所需尺寸

→ 添加 H 等表面修饰基团

→ 定义晶胞

→ 输出 PDB

之后针对：

Si

O

H

分别建立 n2t 定义，包括不同配位数下的连接方式和电荷。讲义以 amber99sb 为例进行了完整展示。

最终利用：

gmx x2top

生成 SiO₂ 的拓扑，并在 ffnonbonded.itp 中加入 SI、O1、H1 对应的 LJ 参数。

因此学员掌握的不只是一个 SiO₂ 案例，而是更重要的：

“如何把一个自己建立的周期性材料结构转成 GROMACS 能识别的拓扑。”

课程介绍：

本套课程围绕 GROMACS 周期性纳米材料结构与拓扑构建设计的专项实战课程。

课程基于 GROMACS 2026.3 以上版本进行实操演示。

课程主要覆盖：

· 石墨烯结构建立

· 碳纳米管结构建立

· n2t 文件结构与使用方法

· gmx x2top 拓扑生成

· Atom Type 映射

· 键、键角、二面角力常数设置

· ffnonbonded.itp 中 LJ 参数处理

· AMBER 力场案例

· OPLS-AA 力场案例

· 氧化石墨烯结构建立

· COOH / C-O-C / C-OH 官能团参数定义

· 氧化石墨烯电荷检查

· Materials Studio 二氧化硅切面与扩胞

· SiO₂ 表面修饰

· Si / O / H 原子连接关系定义

· 二氧化硅 TOP / ITP 构建

这门课真正要解决的问题

很多人能够“画出”石墨烯、碳纳米管或者二氧化硅。

但真正做 GROMACS 时卡住的是：

结构有了，拓扑怎么办？

原子类型怎么匹配？

GROMACS 怎么知道哪些原子应该成键？

LJ、键、角度、二面角参数从哪里进入体系？

这套课程的核心，就是把：

结构建立 → n2t → 原子类型 → 成键参数 → LJ 参数 → x2top → GROMACS 拓扑

这一整套流程真正串起来。

它不是教你下载一个别人做好的石墨烯 ITP，而是帮助你理解以后遇到自己的周期性材料体系，应该怎样建立拓扑。

课程相关图片：