MARTINI 3力场中固液界面建模新策略：以二氧化硅-水体系为例及接触角调控方法

【编辑推荐】针对MARTINI粗粒化力场在固液界面模拟中存在的溶剂过度有序化及表面参数化难题，研究者提出通过调控模型表面粒子密度匹配实验接触角数据，并结合表面无序化设计、混合水珠尺寸等方法优化界面行为。该研究为纳米材料界面模拟提供新范式，开发的二氧化硅表面模型（疏水/亲水/完全润湿）拓展了MARTINI 3在材料科学中的应用边界。

　　

在材料科学与生物物理交叉领域，精确模拟固液界面行为对理解纳米材料润湿性、催化性能等至关重要。粗粒化分子动力学（Coarse-Grained Molecular Dynamics, CGMD）凭借其高效性成为研究大尺度体系的有力工具，其中MARTINI力场因其模块化设计被广泛应用。然而，该力场在模拟规整固体表面与液体相互作用时存在明显局限：溶剂分子（尤其是水）会在界面处形成超出真实物理情况的层状有序结构，且表面参数化缺乏普适标准。这些缺陷严重制约了MARTINI在材料界面研究中的可靠性。

针对上述问题，由欧洲多国团队合作的研究提出了系统性解决方案。研究者以二氧化硅-水体系为模型，通过创新性策略优化MARTINI 3力场在固液界面模拟中的表现。该成果发表于《Surfaces and Interfaces》，为纳米颗粒设计、生物传感器开发等应用提供了新方法论。

研究采用GROMACS软件包进行分子动力学模拟，关键技术包括：1）通过调节表面珠密度匹配实验接触角数据；2）引入静态无序或动态波动破坏溶剂过度有序化；3）利用MARTINI 3新增的多尺寸水珠混合体系减弱层状效应。研究对象涵盖三类二氧化硅表面：有机硅烷功能化的疏水表面、无硅醇基的中等亲水石英表面、以及完全亲水的无定形二氧化硅表面。

层状相形成与缓解策略
模拟显示，水分子在规整C1珠（MARTINI 3最疏水珠）表面会形成三维有序层状结构（密度峰间距约0.47 nm）。通过两种方法有效缓解该效应：① 对表面珠施加±0.05 nm的随机位移扰动，使水密度峰振幅降低50%；② 采用标准水珠（W）与小尺寸水珠（w_B）的1:1混合体系，破坏长程有序性。

表面参数化新范式
提出"自上而下"参数化策略：以接触角为靶标，通过调节表面珠密度（而非传统化学类型）精确控制界面能。例如，将石英表面珠密度从9.8 nm^-2降至6.5 nm^-2时，接触角从20°增至60°，与实验值吻合。对无定形二氧化硅表面，采用动态表面珠（0.1 ps^-1位置重置频率）成功再现完全润湿特性。

三类二氧化硅表面模型
开发的三种模型均通过接触角验证：① 十八烷基三氯硅烷（OTS）功能化表面（接触角104°±3°）通过调整OTS密度实现；② 裸石英表面（60°±5°）采用六方密排珠阵列；③ 无定形表面通过引入5%随机缺失珠位点实现超亲水性。

该研究建立了MARTINI 3力场中固液界面模拟的标准化流程，其创新性体现在：首次将表面珠密度作为独立参数调控界面性质；提出多种普适性方案解决溶剂过度有序化问题。所开发的二氧化硅表面模型可直接用于纳米颗粒载药、膜分离等领域模拟。研究者特别指出，该方法适用于其他材料体系，但需注意当表面化学异质性显著时（如生物分子修饰表面），可能需要结合原子尺度模拟进行验证。Sonia Cambiaso等人强调，这种"可调分辨率"的建模思想有望推动CGMD在复杂界面体系中的更广泛应用。