在本教程中，我们将利用 ForceField 引擎进行分子动力学模拟，计算水溶液中氯化钠离子的离子电导率。

这里介绍的体系和 workflow 与文献中描述的非常相似：

• Estimates of Electrical Conductivity from Molecular Dynamics Simulations: How to Invest the Computational Effort J. Phys. Chem. B 124, 9680−9689 (2020)

本教程包括以下步骤：

• 使用 AMBER95 原子类型构建氯化钠溶液
• 在 300 K 下让体系达到平衡
• NVT 系综模拟
• 获取离子电导率的值
• 将该价值与文献进行比较

AMSinput → ForceField模块 → Type: → Amber95。创建一个Na原子，点击Atom Type右侧的>按钮，对Na原子进行Amber原子类型的设置，Na类型为IP，电荷为1：

File → Export coordinates → .in，保存为Na.in。

类似地创建Cl离子，FF Type为IM，电荷为-1，导出为Cl.in；创建水分子：FF Types O: OW, H: HW, FF Charges O: -0.8340, H: 0.4170，并导出结构为h2o.in。

在菜单栏Edit → Builder中创建这三个组分的均匀混合物：

注意调整晶格尺寸，让New density will be around显示密度为1.029g/ml左右，如此会产生密度为 1.029 g/mL 的 NaCl 水溶液体系类似上图所示。

注意创建体系时，请先确保力场选择的是Amber95。

首先粗略优化体系：

Main → Task → Geometry Optimization，确保Periodicity为Bulk，保存作业并运行。运行完毕后，询问if the structure in AMSinput should be updated时，点yes，将优化的结构更新到AMSinput窗口。

然后进行弛豫：

保存作业，名为NaCl_equilibration

运行结束，SCM → Movie → Properties → Potential Energy，再Properties → Temperature，

可以看到，体系的势能在模拟过程中，逐渐收敛到一个稳定值，温度在 300K 上下振荡。同样地将最后的结构更新到AMSinput中。

Task → Molecular Dynamics，点击Task → Molecular Dynamics右侧的>按钮，进入MD详细参数设置。

• number of steps：100000
• Sample frequency：20

点击Thermostat右侧>按钮设置恒温器：

• Type：NHC
• Temperature：300 K
• damping constant：100 fs

File → Save as另存一个作业，例如NaCl_production，并运行作业。

离子电导率与原子电荷加权均方位移的斜率成正比：

\(\sigma = \lim_{t\to\infty} \frac{1}{2tdVk_BT} \sum_i^N q_i^2 \langle ({\bf{r_i}}(0) - {\bf{r_i}}(t))^2 \rangle\)

这里d是系统的维数（通常d=3）， N是离子的数量，Movie中可以计算σ值及其斜率（电导率）。

AMSMovie → MD Properties → MSD：

• Property： Conductivity
• Atoms：Na Cl

点击Generate MSD按钮，Movie窗口中出现两条新曲线。底部曲线描绘了离子电导率随时间的收敛情况，离子电导率的最终值为7.34 S/m（或 C²/Jms）。文献指出，该值应介于 1.2 和 13.5 S/m 之间，多次模拟的平均值是 5.9 S/m。

顶部曲线描绘了电荷加权均方位移曲线，离子电导率是其斜率。该图显示，在较短的相关时间下，曲线的斜率很大，然后逐渐变为恒定。曲线变为线性的点大致对应于离子运动“去相关”所需的时间，Movie会根据均方位移曲线的形状来估计这一点。实际上，底部曲线是从大约 7ps 开始的，这是基于 Movies 的这种估计。

不过，肉眼简单看一下顶部曲线，可以看到，“去相关”时间的更好猜测是在 10 ps 左右。我们可以根据这个新的“去相关”时间重新计算离子电导率。

MD Properties → MSD 保持之前的设置，然后增加设置Start time slope为10000.0（注意单位为fs）：

点击Replace MSD，离子电导率的新值为7.29 S/m。

1. 这里给出的示例模拟太短，无法获得真正可靠的结果。实际上，建议进行多次模拟，每次模拟持续几纳秒。
2. 引用文献中讨论了精确的、相关的离子电导率如何将非对角线贡献纳入均方位移中：\(\sigma_{corr} = \lim_{t\to\infty} \frac{1}{2tdVk_BT} \left( \sum_i^N q_i^2 \langle ({\bf{r_i}}(0) - {\bf{r_i}}(t))^2 \rangle + \sum_{i \neq j}^N q_i q_j \langle ({\bf{r_i}}(0) - {\bf{r_i}}(t)) ({\bf{r_j}}(0) - {\bf{r_j}}(t)) \rangle \right)\) 在这个例子中，我们使用了高浓度的 NaCl，以便能够与文献值进行比较。事实上，在这些浓度下，非对角线贡献可以改变σ大约是原来的两倍。在较低的离子浓度下，非对角线贡献的影响将变得可以忽略不计。
3. Movie使用存储在ams.rkf文件中的原子电荷（在本例中为力场电荷）。在本例中，力场电荷与形式电荷相匹配，但对于较大的离子，情况可能并非如此，这将影响结果。