東京大學(xué)2016年8月25日宣布，發(fā)現(xiàn)單一成分的物質(zhì)在特殊條件下可實(shí)現(xiàn)4種以上相態(tài)的共存。這一成果不僅有助于對熱平衡狀態(tài)下的相態(tài)共存做出基礎(chǔ)性理解，而且還具有可利用微小熱力學(xué)擾動來控制多相間相變的特點(diǎn)，因此還有望在利用相變化的功能性材料的開發(fā)方面作出貢獻(xiàn)。 　　在多相共存方面，大家都知道水與冰在0℃下平衡共存的現(xiàn)象。還有就是，水分子中氣體、液體、固體三相共存的三相點(diǎn)存在于高溫高壓范圍。多種熱力學(xué)相態(tài)以平衡狀態(tài)共存的條件，可在化學(xué)勢能相等的條件下賦予。
　　在單一成分的物質(zhì)中，化學(xué)勢能只是溫度和壓力這些熱力學(xué)變量的函數(shù)，根據(jù)這一事實(shí)，得出了3種以上的相態(tài)一般不能在熱平衡狀態(tài)下共存的結(jié)論，這就是著名的“吉布斯相律”。但將其作為數(shù)學(xué)問題考慮的話，作為一種特解，也可以存在容許四相共存的情況，而以前并未有人系統(tǒng)研究過四相點(diǎn)的存在可能性。
　　此次，東大的研究人員構(gòu)思出了一種方法，通過用某一變量使原子間相互作用發(fā)生系統(tǒng)性變化，向原來的體系賦予虛擬自由度，提高參數(shù)空間的維度，由此來系統(tǒng)性尋找四相點(diǎn)。對于用來描述硅原子運(yùn)動的Stillinger-Weber勢能的各向同性二體相互作用部分，以及用于對獨(dú)立四面體構(gòu)造做定向的各向異性三體相互作用部分，通過將兩者相比的比率作為新的變量導(dǎo)入體系，制作出了溫度、壓力及新變量的三維參數(shù)空間下的相態(tài)圖。
　　研究人員通過上述方法發(fā)現(xiàn)了作為二相共存面相交線的三相共存線，并最終成功找到了三相共存線的相交點(diǎn)，也就是四相點(diǎn)。通過使其勢能變量發(fā)生變化，便可描述硅、鍺、水、碳等的原子的運(yùn)動，研究人員由此斷定新發(fā)現(xiàn)的變量值位于鍺的附近。共存的四相為液體、β-tin型晶體、金剛石型立方晶（dc）及SC16型晶體。
　　在這一四相點(diǎn)的附近，細(xì)微變化即會引發(fā)相變，而在固體間的相變中，力學(xué)性彈性應(yīng)變有時會阻礙相變。但多相共存在相態(tài)組合下存在減輕彈性應(yīng)變的可能性，顯示出了在應(yīng)用方面的有用性。實(shí)際上，最近就有研究人員在三相點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了有望應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)元件的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)VO2的高級功能。
　　要想控制相互作用并不容易，不過，通過使用最近開發(fā)的帶補(bǔ)片（物性不同的區(qū)域）的膠體，以及利用靜電相互作用等的比較容易控制的相互作用，即使在實(shí)際體系中也有望出現(xiàn)超出吉布斯相律的多相共存可能性。另外，即使在難以到達(dá)四相點(diǎn)時，其附近也存在更靈活的相控制的可能性，因此，此次的成果也有望在應(yīng)用方面帶來巨大沖擊。（特約撰稿人：工藤 宗介）