科學家提出用剪切促進晶體生長新法
發布日期： 2020-03-18 供稿：中國科學報
編輯：吳楠 審核：劉曉俏 閱讀次數：原文標題：科學家提出用剪切促進晶體生長新法
原文鏈接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/437104.shtm
近日，北京理工大學化學與化工學院教授孫建科與韓國基礎科學研究院合作，以《聚電解質溶液剪切流場促進晶體生長》為題，將其“剪切促進晶體生長”研究成果發表于《自然》雜志上。該研究提出了利用剪切驅動的封閉系統恒溫結晶方法，為簡單、高效合成高質量的單晶提供了新思路。
制備高質量且粒徑尺寸合適的單晶，在有機合成以及制藥等相關行業至關重要。高質量的單晶生長通常需要數小時至數天，且在此期間要避免外界環境擾動。基于傳統的結晶學理論，機械攪拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶體的生長。
該項研究突破了人們對傳統晶體生長機理的認知，發現在聚離子液體（PIL，一類聚電解質材料）存在的環境中，不斷的攪拌會讓晶體生長的更快、更大。
該方法以小分子均苯三甲酸結晶為例，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，經過10分鐘的攪拌（400轉/分鐘），均苯三甲酸晶體的平均尺寸可達到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，該方法也遠快于傳統的室溫揮發方法。
更為重要的是，該方法具有很好的普適性，對無機、有機、無機—有機雜化晶體，甚至一些蛋白質晶體都具備促進生長的效果。不僅如此，相比較傳統方法，該方法還能有效提升多孔晶態材料的比表面積，譬如對于有機多孔分子籠，金屬—有機框架以及共價有機框架等。應用該方法合成出來的孔材料，其比表面積提升了24%至51%。
進一步的機理研究表明，在剪切力場下晶體加速生長，可歸納為如下兩種因素的協同作用：在剪切應力下，聚離子液體高分子鏈段會展開/拉伸，競爭溶劑分子，導致溶質的溶解度降低，結晶析出；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。
對于第二種情況，該研究進一步采用了計算流體力學模擬驗證。結果顯示，在剪切流動中，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效應會更為顯著，對溶劑的“競爭”也更為有效，導致大尺寸晶體優先生長。
據悉，該方法是對當前晶體生長技術的一個重要補充，有望大大降低材料加工和制藥業中晶體生長成本。
相關論文信息：https://doi.org/10.5281/zenodo.3533635
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