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。

该项研究工作由中国科学院上海应用物理研究所、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。(水科学研究室 供稿)

图：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。