科學(xué)家提出用剪切促進(jìn)晶體生長新法
發(fā)布日期： 2020-03-18 供稿：中國科學(xué)報(bào)
編輯：吳楠 審核：劉曉俏 閱讀次數(shù)：原文標(biāo)題：科學(xué)家提出用剪切促進(jìn)晶體生長新法
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授孫建科與韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院合作，以《聚電解質(zhì)溶液剪切流場促進(jìn)晶體生長》為題，將其“剪切促進(jìn)晶體生長”研究成果發(fā)表于《自然》雜志上。該研究提出了利用剪切驅(qū)動(dòng)的封閉系統(tǒng)恒溫結(jié)晶方法，為簡單、高效合成高質(zhì)量的單晶提供了新思路。
制備高質(zhì)量且粒徑尺寸合適的單晶，在有機(jī)合成以及制藥等相關(guān)行業(yè)至關(guān)重要。高質(zhì)量的單晶生長通常需要數(shù)小時(shí)至數(shù)天，且在此期間要避免外界環(huán)境擾動(dòng)?；趥鹘y(tǒng)的結(jié)晶學(xué)理論，機(jī)械攪拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶體的生長。
該項(xiàng)研究突破了人們對(duì)傳統(tǒng)晶體生長機(jī)理的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)在聚離子液體（PIL，一類聚電解質(zhì)材料）存在的環(huán)境中，不斷的攪拌會(huì)讓晶體生長的更快、更大。
該方法以小分子均苯三甲酸結(jié)晶為例，在咪唑類聚離子液體（3-氰甲基-1-乙烯基咪唑雙?三氟甲烷磺酰?亞胺鹽聚合物）存在下，經(jīng)過10分鐘的攪拌（400轉(zhuǎn)/分鐘），均苯三甲酸晶體的平均尺寸可達(dá)到440微米，較相同條件下不攪拌的體系獲得的晶體平均尺寸增長了171倍，該方法也遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的室溫?fù)]發(fā)方法。
更為重要的是，該方法具有很好的普適性，對(duì)無機(jī)、有機(jī)、無機(jī)—有機(jī)雜化晶體，甚至一些蛋白質(zhì)晶體都具備促進(jìn)生長的效果。不僅如此，相比較傳統(tǒng)方法，該方法還能有效提升多孔晶態(tài)材料的比表面積，譬如對(duì)于有機(jī)多孔分子籠，金屬—有機(jī)框架以及共價(jià)有機(jī)框架等。應(yīng)用該方法合成出來的孔材料，其比表面積提升了24%至51%。
進(jìn)一步的機(jī)理研究表明，在剪切力場下晶體加速生長，可歸納為如下兩種因素的協(xié)同作用：在剪切應(yīng)力下，聚離子液體高分子鏈段會(huì)展開/拉伸，競爭溶劑分子，導(dǎo)致溶質(zhì)的溶解度降低，結(jié)晶析出；局部剪切速率跟顆粒尺寸成正比，晶體尺寸越大，晶體的生長速率越快。
對(duì)于第二種情況，該研究進(jìn)一步采用了計(jì)算流體力學(xué)模擬驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在剪切流動(dòng)中，顆粒的尖銳邊緣附近的局部剪切速率，隨粒徑尺寸的增加而增加。因此，在較大的顆粒附近，聚離子液體高分子鏈段解纏結(jié)效應(yīng)會(huì)更為顯著，對(duì)溶劑的“競爭”也更為有效，導(dǎo)致大尺寸晶體優(yōu)先生長。
據(jù)悉，該方法是對(duì)當(dāng)前晶體生長技術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充，有望大大降低材料加工和制藥業(yè)中晶體生長成本。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.5281/zenodo.3533635
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