關鍵詞：GROMACS；酒精-水混合物；互溶性；分子動力學；氫鍵分析

背景介紹

酒精與水的互溶行為在化學、材料、生物醫藥等多個領域中具有重要意義。例如，藥物溶液設計、溶劑工程、生物膜相互作用等都依賴於對醇-水體系微觀結構的深入理解。傳統實驗雖然能觀察到宏觀性質變化，但在分子尺度上的機理揭示仍需藉助分子動力學模擬。

本案例基於GROMACS軟件，模擬分析乙醇-水混合液體系的互溶過程與氫鍵網絡特徵，探索兩種液體互溶行為背後的分子機制。

初始模型構建

首先利用Packmol構建水與乙醇兩相體系，各佔3×3×3 nm³盒子的一半，packmol輸入文件如圖1所示：

圖1 Packmol 輸入文件

所構建的初始水-乙醇兩相體系模型結構如圖2所示：

圖2 初始乙醇-水兩相結構

首先進行能量最小化：

gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1

gmx mdrun -v -deffnm em

能量最小化後進行2 ns的平衡模擬:

gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1

gmx mdrun -v -deffnm md

模擬分析

經過2ns的平衡模擬後，可以看到乙醇和水分子已經發生了充分的混合，如圖3所示：

圖3 模擬2ns後乙醇-水混合體系快照

我們進一步統計模擬過程中乙醇與水分子之間氫鍵數目的變化，如圖4所示：

圖4 乙醇與水分子之間氫鍵數目的變化

可以看到，模擬到200ps左右乙醇與水分子之間形成的氫鍵數已經基本不變，説明此時體系已經混合得較為均勻。接着使用腳本統計距離水分子2.5埃範圍以內的乙醇分子

圖5 距離水分子2.5埃範圍以內的乙醇分子個數

的個數，統計結果和氫鍵數類似。經過200 ps後，體系中總共150個乙醇分子中絕大部分都與至少一個水分子有接觸，説明乙醇和水發生了充分的混合。

工業與科研應用

本案例通過分子尺度揭示了酒精與水的互溶行為與微觀結構變化，為多個領域提供理論支持：

• 化工過程設計 ：為優化酒精基溶劑系統與萃取工藝提供參數基礎；
• 生物醫藥：為酒精在藥物製劑中的分佈與釋放機制研究提供支持；
• 基礎科研：揭示氫鍵網絡變化與液體結構重構的內在關聯。

結語通過GROMACS模擬，本研究構建並分析了乙醇-水混合體系的互溶行為，揭示了兩種液體互溶的內在機制。希望為相關科研與工程實踐提供有效參考