摘要：在材料科学、电气工程以及生物医学领域，水球行为在外加电场下的变化具有重要意义。电场对水分子的影响不仅关系到液体的表面张力，还与电介质的性能、微流控技术的应用及生物细胞的电场响应等问题密切相关。因此，通过分子动力学（MD）模拟研究电场下水球行为成为一种有效且精确
Sophia
关键词：GROMACS；电场；水球; 分子动力学；packmol
在材料科学、电气工程以及生物医学领域，水球行为在外加电场下的变化具有重要意义。电场对水分子的影响不仅关系到液体的表面张力，还与电介质的性能、微流控技术的应用及生物细胞的电场响应等问题密切相关。因此，通过分子动力学（MD）模拟研究电场下水球行为成为一种有效且精确的手段。而GROMACS作为一种高效的开源MD模拟软件，在模拟液体在外场影响下的行为方面具有强大的技术支持。本案例基于GROMACS，研究水分子在外加电场强度下的形状演变。
初始模型的构建
在本案例中，我们模拟对象为纯水纳米水球，水分子采用spce水模型。首先创建3*3*3nm的水盒子：
gmx solvate -box 3 3 3 -o waterbox.gro
增大盒子的尺寸，往外扩展出真空区域
gmx editconf -f waterbox.gro -o newbox.gro -box 10 10 10
创建的初始纳米水滴模型如图1所示：
图1 初始纳米水球模型
添加电场设定electric-field-x=2.5 0 0 0, 代表在X正方向加2.5V/nm的电场强度，也可以在Y,Z方向设置（electric-field-y, electric-field-z）。部分参数文件如图2所示：
图2 外场设置的部分参数文件
温度设置采用V-rescale热浴，恒定在298.15K，部分参数文件如图3所示：
图3 温度设置的部分参数文件
模拟结果分析
经过能量最小化和200ps的平衡模拟后，我们可以观察到，在外加电场下，球形的纳米水球沿着电场方向逐渐被拉长，如图4所示：
图4 电场下纳米水球的演变过程
我们进一步采用h2order命令统计不同Z层内的水计算平均偶极矩矢量，并给出水的偶极矩矢量与Z轴夹角的cosine值的平均值。分子平均和时间平均都考虑。
图5 水的平均偶极矩矢量和偶极矩矢量与Z轴夹角的cosine值
可以看到，水的平均偶极矩的X分量远大于其他两个方向，体现出当前水分子几乎都顺着X轴。水的偶极矩与Z轴夹角的cosine值的平均值十分接近于0（近乎垂直）也体现了这一点。
工业与科研应用
本案例为电场下水球行为的模拟研究提供了重要的理论依据，并在多个领域中具有广泛的应用前景：
微流控技术：为微流控芯片中液滴控制与操作提供了理论支持，促进了液滴微操作技术的发展。材料科学：研究水分子在电场中的行为，帮助优化电介质材料的性能，特别是在电子器件和传感器中的应用。生物医学：为电场对细胞膜、微球和纳米颗粒的影响研究提供了基础数据，有助于发展新的生物医学技术。结语
通过GROMACS分子动力学模拟，本案例成功探究了电场作用下水球行为的演变过程。对于相关领域的研究人员和工程师来说，本案例提供了一个有力的工具，可以为解决实际问题提供理论依据和技术支持。
来源：科学热
