科学家发现纳米受限空间溶液中溶质的自发双向转变

溶液中溶质的分散或聚集行为对于众多物理、化学和生物过程会产生重要影响。例如分散态提高化学反应的效率，增强蛋白质正常功能的发挥和纳米粒子对生物体的损伤。最近，中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室的博士生赵亮、王春雷博士、方海平研究员等与上海大学的涂育松博士、英国雷丁大学的王作维博士合作，运用分子动力学模拟提出在纳米受限空间内的溶液中，溶质的溶解状态可以在分散与聚集之间双向转变。相关研究工作近期发表在美国物理学会的Physical Review Letter (Phys. Rev. Lett. 112, 078301 (2014))上。

在纳米尺度下，往往有着不同于宏观系统的物理现象。当溶质聚集到一定程度，由于纳米体系中总的溶质数目受限，聚集状态的颗粒团簇不能从溶液里获得更多溶质，颗粒数目上达不到稳定状态的要求。在热扰动下，聚集颗粒会重新分散开来，从而溶质的溶解状态可以在分散态和聚集态之间进行双向转变。通过建立理论模型，发现分散态和聚集态分别对应于系统自由能曲线上的两个极小值，两个状态之间自由能垒的大小与热扰动kBT保持在同一数量级上。这样，在热涨落环境中，系统会在两个状态之间发生自发地双向转变。正是因为这种双向转变，聚集成稳定颗粒团簇在纳米受限条件下则需要更多的溶质，进而提高临界成核浓度。纳米受限溶液广泛分布于细胞液中大分子间、人造纳米器械、岩石孔洞及土壤缝隙中等，该研究从理论层次加深了对纳米受限条件下溶液中溶质行为的理解，也为解释一些常见的实际受限溶液环境中分子的溶解行为，比如药物分子的吸收、纳米材料的毒性、石油开采和土壤中碳元素的储存等问题有启示意义。

该项研究工作由中科院上海应物所、上海大学和英国雷丁大学的研究人员合作完成，得到了中国科学院、国家自然科学基金委以及中国科学院北京超算中心和上海超算中心的共同资助和支持。

受限空间中分散的戊醇分子(蓝色球)随着时间演化从分散状态(45 ns)逐渐聚集成核(绿色球)。在120 ns之后，聚集的分子又逐渐分散。