茨城大學研究生院理工學研究科的研究生吉田旭與中川尚子教授組成的研究團隊，利用現代熱力學理論，成功明確了通過數值計算微小尺寸溶液的熱力學特性的定量公式。
眾所周知，多種物質混合在一起時會出現原物質所不具備的特性。如果能瞭解混合過程中產生的「混合自由能」，就可以預測混合能夠帶來的新特性。研究團隊發現的混合自由能公式是通過比較兩種不同溶液製作方法的自由能變化推導得出的。一種製作方法是利用半透膜逐漸混合兩種純物質的方法，這與日常混合東西的做法基本相同。另一種是只能通過名為鍊金術法的數值實驗實現的方法，首先隻使用純物質作為溶劑進行分子動力學計算，然後在計算的過程中將部分溶劑分子轉化為溶質分子，形成目標混合物。
圖1：研究結果概念圖。結合兩種鍊金術方法（左）可以明確混合兩種分子的過程（右）中自由能的變化。（供圖：茨城大學）
通過比較這兩種溶液製作過程，最終發現組合圖中模式化描述的兩種鍊金術過程可以表現混合自由能。雖然微小系統有很大波動，但可以用Jarzynski恆等式來確定狀態之間的自由能變化。因此，研究團隊利用這個恆等式表現了圖中兩種鍊金術過程的自由能的變化，並將其作為通過微溶液確定混合自由能的公式。
研究團隊利用該公式計算了總分子數為500的氬和氪混合物的混合自由能，並成功明確了只有500個分子的微系統的集體效應作為熱力學性質。
中川教授表示：「此次發現的公式提供了通過數值計算調查微溶液是否具備宏觀溶液所不具備的特性的方法。實施上，微小尺寸的溶液完全不適用於通常的熱力學和反應動力學，容易出現介穩定狀態域可能帶來了高反應性和對外部刺激的廣泛響應。我們認為可以利用公式來確定各種微系統的混合自由能。」
【詞注】
■Jarzynski恆等式：可根據改變大幅波動的系統狀態所需的功來計算自由能變化的等式。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Research
論文：Work relation for determining the mixing free energy of small-scale mixtures
DOI：10.1103/PhysRevResearch.4.023119
