茨城大学研究生院理工学研究科的研究生吉田旭与中川尚子教授组成的研究团队，利用现代热力学理论，成功明确了通过数值计算微小尺寸溶液的热力学特性的定量公式。
众所周知，多种物质混合在一起时会出现原物质所不具备的特性。如果能了解混合过程中产生的“混合自由能”，就可以预测混合能够带来的新特性。研究团队发现的混合自由能公式是通过比较两种不同溶液制作方法的自由能变化推导得出的。一种制作方法是利用半透膜逐渐混合两种纯物质的方法，这与日常混合东西的做法基本相同。另一种是只能通过名为炼金术法的数值实验实现的方法，首先只使用纯物质作为溶剂进行分子动力学计算，然后在计算的过程中将部分溶剂分子转化为溶质分子，形成目标混合物。
图1：研究结果概念图。结合两种炼金术方法（左）可以明确混合两种分子的过程（右）中自由能的变化。（供图：茨城大学）
通过比较这两种溶液制作过程，最终发现组合图中模式化描述的两种炼金术过程可以表现混合自由能。虽然微小系统有很大波动，但可以用Jarzynski恒等式来确定状态之间的自由能变化。因此，研究团队利用这个恒等式表现了图中两种炼金术过程的自由能的变化，并将其作为通过微溶液确定混合自由能的公式。
研究团队利用该公式计算了总分子数为500的氩和氪混合物的混合自由能，并成功明确了只有500个分子的微系统的集体效应作为热力学性质。
中川教授表示：“此次发现的公式提供了通过数值计算调查微溶液是否具备宏观溶液所不具备的特性的方法。实施上，微小尺寸的溶液完全不适用于通常的热力学和反应动力学，容易出现亚稳态域可能带来了高反应性和对外部刺激的广泛响应。我们认为可以利用公式来确定各种微系统的混合自由能。”
【词注】
■Jarzynski恒等式：可根据改变大幅波动的系统状态所需的功来计算自由能变化的等式。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Research
论文：Work relation for determining the mixing free energy of small-scale mixtures
DOI：10.1103/PhysRevResearch.4.023119
