科學家發現納米受限空間溶液中溶質的自發雙向轉變

　　溶液中溶質的分散或聚集行為對于眾多物理、化學和生物過程會產生重要影響。例如分散態提高化學反應的效率，增強蛋白質正常功能的發揮和納米粒子對生物體的損傷。最近，中國科學院上海應用物理研究所水科學與技術研究室的博士生趙亮、王春雷博士、方海平研究員等與上海大學的涂育松博士、英國雷丁大學的王作維博士合作，運用分子動力學模擬提出在納米受限空間內的溶液中，溶質的溶解狀態可以在分散與聚集之間雙向轉變。相關研究工作近期發表在美國物理學會的Physical Review Letter (Phys. Rev. Lett. 112, 078301 (2014))上。

　　在納米尺度下，往往有著不同于宏觀系統的物理現象。當溶質聚集到一定程度，由于納米體系中總的溶質數目受限，聚集狀態的顆粒團簇不能從溶液里獲得更多溶質，顆粒數目上達不到穩定狀態的要求。在熱擾動下，聚集顆粒會重新分散開來，從而溶質的溶解狀態可以在分散態和聚集態之間進行雙向轉變。通過建立理論模型，發現分散態和聚集態分別對應于系統自由能曲線上的兩個極小值，兩個狀態之間自由能壘的大小與熱擾動kBT保持在同一數量級上。這樣，在熱漲落環境中，系統會在兩個狀態之間發生自發地雙向轉變。正是因為這種雙向轉變，聚集成穩定顆粒團簇在納米受限條件下則需要更多的溶質，進而提高臨界成核濃度。納米受限溶液廣泛分布于細胞液中大分子間、人造納米器械、巖石孔洞及土壤縫隙中等，該研究從理論層次加深了對納米受限條件下溶液中溶質行為的理解，也為解釋一些常見的實際受限溶液環境中分子的溶解行為，比如藥物分子的吸收、納米材料的毒性、石油開采和土壤中碳元素的儲存等問題有啟示意義。

　　該項研究工作由中科院上海應物所、上海大學和英國雷丁大學的研究人員合作完成，得到了中國科學院、國家自然科學基金委以及中國科學院北京超算中心和上海超算中心的共同資助和支持。

受限空間中分散的戊醇分子(藍色球)隨著時間演化從分散狀態(45 ns)逐漸聚集成核(綠色球)。在120 ns之后，聚集的分子又逐漸分散。