化学反応において普遍的に成り立つ非平衡熱力学法則を導出
研究成果 2021/10/12
ブラウン運動や分子モーターのような確率的に振る舞う非平衡系の熱力学的性質に関する研究が、近年盛んに行われています。ゆらぎの熱力学と呼ばれるその枠組みにおいて、これまでにさまざまな熱力学法則が発見されてきました。
一方、非平衡系は確率的に振る舞うものだけではありません。たとえば、決定論的な化学反応は生体内をはじめ身近に見られる重要な非平衡現象です。しかし、ゆらぎの熱力学の発展とは対照的に、非平衡状態にある化学反応系がどのような熱力学的性質を持つかはあまり知られていませんでした。
東京大学大学院理学系研究科の吉村耕平大学院生と伊藤創祐講師は、従来注目されていなかった化学反応が内在的に持つゆらぎの指標を利用することで、決定論的な化学反応においても、ゆらぎの熱力学で得られてきた熱力学的トレードオフ関係である熱力学的不確定性関係と熱力学的速度限界が得られることを発見しました。
本研究はこれらの非平衡熱力学法則が本質的に異なる系で成り立つことが明らかにし、法則の普遍性を支持するものとなりました。また今回証明された関係を用いることで、これまで個別かつ具体的な化学反応系で行われてきた熱力学的解析が統一的な視点から行われ、化学反応を用いた生体内のプロセスへの理解が深められることが期待されます。
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