基于GROMACS的酒精-水互溶现象分子动力学模拟
关键词：GROMACS；酒精-水混合物；互溶性；分子动力学；氢键分析
背景介绍
酒精与水的互溶行为在化学、材料、生物医药等多个领域中具有重要意义。例如，药物溶液设计、溶剂工程、生物膜相互作用等都依赖于对醇-水体系微观结构的深入理解。传统实验虽然能观察到宏观性质变化，但在分子尺度上的机理揭示仍需借助分子动力学模拟。
本案例基于GROMACS软件，模拟分析乙醇-水混合液体系的互溶过程与氢键网络特征，探索两种液体互溶行为背后的分子机制。
初始模型构建
首先利用Packmol构建水与乙醇两相体系，各占3×3×3 nm³盒子的一半，packmol输入文件如图1所示：
图1 Packmol 输入文件
所构建的初始水-乙醇两相体系模型结构如图2所示：
图2 初始乙醇-水两相结构
首先进行能量最小化：
gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm em
能量最小化后进行2 ns的平衡模拟:
gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm md
模拟分析
经过2ns的平衡模拟后，可以看到乙醇和水分子已经发生了充分的混合，如图3所示：
图3 模拟2ns后乙醇-水混合体系快照
我们进一步统计模拟过程中乙醇与水分子之间氢键数目的变化，如图4所示：
图4 乙醇与水分子之间氢键数目的变化
可以看到，模拟到200ps左右乙醇与水分子之间形成的氢键数已经基本不变，说明此时体系已经混合得较为均匀。接着使用脚本统计距离水分子2.5埃范围以内的乙醇分子
图5 距离水分子2.5埃范围以内的乙醇分子个数
的个数，统计结果和氢键数类似。经过200 ps后，体系中总共150个乙醇分子中绝大部分都与至少一个水分子有接触，说明乙醇和水发生了充分的混合。
工业与科研应用
本案例通过分子尺度揭示了酒精与水的互溶行为与微观结构变化，为多个领域提供理论支持：
化工过程设计
：为优化酒精基溶剂系统与萃取工艺提供参数基础； 生物医药
：为酒精在药物制剂中的分布与释放机制研究提供支持； 基础科研
：揭示氢键网络变化与液体结构重构的内在关联。
结语
通过GROMACS模拟，本研究构建并分析了乙醇-水混合体系的互溶行为，揭示了两种液体互溶的内在机制。希望为相关科研与工程实践提供有效参考。
