不断搅拌让晶体生长更快更大

内容来源：中国科学院

近日，北京理工大学化学与化工学院教授孙建科与韩国基础科学研究院合作，在《自然》发表了题为《聚电解质溶液剪切流场促进晶体生长》的研究，提出了利用剪切驱动的封闭系统恒温结晶方法。

制备高质量且粒径尺寸合适的单晶，在有机合成以及制药等相关行业至关重要。高质量的单晶生长通常需要数小时至数天，且在此期间要避免外界环境扰动。基于传统的结晶学理论，机械搅拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶体生长。

该项研究突破了上述认知，发现在聚离子液体（PIL，一类聚电解质材料）存在的环境中，不断地搅拌会让晶体生长得更快、更大。

该方法以小分子均苯三甲酸结晶为例，在咪唑类聚离子液体（3—氰甲基—1—乙烯基咪唑双〈三氟甲烷磺酰〉亚胺盐聚合物存在下，经过10分钟的搅拌（400转/分钟），均苯三甲酸晶体的平均尺寸可达到440微米，较相同条件下不搅拌的体系获得的晶体平均尺寸增长了171倍，该方法也远快于传统的室温挥发方法。

此外，该方法具有普适性，对无机、有机、无机—有机杂化晶体，甚至一些蛋白质晶体都具有促进生长的效果。相对于传统方法，该方法还能有效提升多孔晶态材料的比表面积。

进一步的机理研究表明，在剪切力场下晶体加速生长，可归纳为如下两种因素的协同作用：在剪切应力下，聚离子液体高分子链段会展开/拉伸，竞争溶剂分子，导致溶质的溶解度降低，结晶析出；局部剪切速率跟颗粒尺寸成正比，晶体尺寸越大，晶体的生长速率越快。

据悉，该方法是对当前晶体生长技术的一个重要补充，有望大大降低材料加工和制药业中晶体生长成本。

相关论文信息：https://doi.org/10.5281/zenodo.3533635