溶液中溶質(zhì)的分散或聚集行為對于眾多物理、化學(xué)和生物過程會產(chǎn)生重要影響。例如分散態(tài)提高化學(xué)反應(yīng)的效率，增強蛋白質(zhì)正常功能的發(fā)揮和納米粒子對生物體的損傷。最近，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所水科學(xué)與技術(shù)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(xué)的涂育松博士、英國雷丁大學(xué)的王作維博士合作，運用分子動力學(xué)模擬提出在納米受限空間內(nèi)的溶液中，溶質(zhì)的溶解狀態(tài)可以在分散與聚集之間雙向轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究工作近期發(fā)表在美國物理學(xué)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(tǒng)的物理現(xiàn)象。當(dāng)溶質(zhì)聚集到一定程度，由于納米體系中總的溶質(zhì)數(shù)目受限，聚集狀態(tài)的顆粒團簇不能從溶液里獲得更多溶質(zhì)，顆粒數(shù)目上達不到穩(wěn)定狀態(tài)的要求。在熱擾動下，聚集顆粒會重新分散開來，從而溶質(zhì)的溶解狀態(tài)可以在分散態(tài)和聚集態(tài)之間進行雙向轉(zhuǎn)變。通過建立理論模型，發(fā)現(xiàn)分散態(tài)和聚集態(tài)分別對應(yīng)于系統(tǒng)自由能曲線上的兩個極小值，兩個狀態(tài)之間自由能壘的大小與熱擾動kBT保持在同一數(shù)量級上。這樣，在熱漲落環(huán)境中，系統(tǒng)會在兩個狀態(tài)之間發(fā)生自發(fā)地雙向轉(zhuǎn)變。正是因為這種雙向轉(zhuǎn)變，聚集成穩(wěn)定顆粒團簇在納米受限條件下則需要更多的溶質(zhì)，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(zhì)行為的理解，也為解釋一些常見的實際受限溶液環(huán)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(yīng)物所、上海大學(xué)和英國雷丁大學(xué)的研究人員合作完成，得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)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(tài)(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。