??在有機(jī)合成以及制藥行業(yè)，制備粒徑合適、高質(zhì)量的晶體至關(guān)重要。目前，制備出這樣的晶體往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間，更重要的是制備過(guò)程中不能有任何的攪拌，傳統(tǒng)結(jié)晶理論認(rèn)為機(jī)械攪拌帶來(lái)的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致二次成核效應(yīng)，這會(huì)造成晶體尺寸的下降。

韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院Grzybowski教授課題組的研究顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)晶體生長(zhǎng)機(jī)理的認(rèn)知，他們發(fā)現(xiàn)在聚電解質(zhì)的存在下，攪拌會(huì)讓晶體生長(zhǎng)的更大、更快。只需要10分鐘，均苯三酸（TA）晶體就可以生長(zhǎng)到440微米，生長(zhǎng)速度提高了171倍。而且，這種方法可以用于制備有機(jī)分子、無(wú)機(jī)鹽、金屬-有機(jī)配合物，甚至某些蛋白質(zhì)分子，表現(xiàn)出廣泛的適用性。研究者將這種晶體生長(zhǎng)的促進(jìn)歸因于兩種協(xié)同效應(yīng)：剪切作用下聚電解質(zhì)及其聚集體發(fā)生了解纏結(jié)，會(huì)“竊取”更多的溶劑分子，使得結(jié)晶分子缺乏溶劑而“析出”結(jié)晶；晶體尺寸越大，聚電解質(zhì)對(duì)溶劑分子的“竊取”效應(yīng)越強(qiáng)，生長(zhǎng)速率越快。

剪切促進(jìn)TA晶體的生長(zhǎng)

圖1. 在聚電解質(zhì)存在下剪切促進(jìn)了TA晶體的生長(zhǎng)。（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b和c）在有（b）和沒(méi)有（c）剪切的情況下，在相同的TA/PIL-1/DMF溶液中，10分鐘后生長(zhǎng)的TA晶體的光學(xué)圖像；（d）晶體粒徑隨時(shí)間的變化曲線（藍(lán)色曲線有聚電解質(zhì)PIL-1和剪切，綠色曲線沒(méi)有聚電解質(zhì)但是有剪切，黑色曲線有聚電解質(zhì)但是沒(méi)有剪切）；（e）在PIL-1/DMF溶液中，剪切速率為167 s-1時(shí)（藍(lán)色曲線）和沒(méi)有PIL的情況下從TA/DMF溶液中蒸發(fā)溶劑得到的TA單晶（黑色曲線）的1H NMR譜圖；（f）在167 s-1的剪切速率下PIL-1/DMF中生長(zhǎng)的TA晶體的 X射線衍射光譜（藍(lán)色曲線）與DMF中生長(zhǎng)的TA晶體（黑色曲線）的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比；（g和h）機(jī)理示意圖：聚電解質(zhì)（藍(lán)色）和結(jié)晶物質(zhì)（綠色）競(jìng)爭(zhēng)溶劑（灰色），當(dāng)不存在剪切時(shí)（g），纏結(jié)聚電解質(zhì)溶劑化的溶劑量低于（h）中存在剪切時(shí)解纏結(jié)的聚電解質(zhì)溶劑化的溶劑量，解纏結(jié)的聚電解質(zhì)從結(jié)晶物質(zhì)的分子中“竊取”更多的溶劑，使這些分子在附近的晶體上析出。

研究者在二甲基甲酰胺（DMF）中進(jìn)行了TA晶體的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，以3-氰基甲基-1-乙烯基咪唑雙（三氟甲磺酰基）亞胺（PIL-1）為聚電解質(zhì)。當(dāng)內(nèi)筒開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，在溶液中產(chǎn)生了剪切流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)30秒后，在溶液中肉眼即可看到針狀晶體，在10分鐘后晶體尺寸生長(zhǎng)至440μm，一小時(shí)后尺寸增加到740μm。XRD和1H NMR表明制備的晶體質(zhì)量好，純度高，與重結(jié)晶和蒸發(fā)法制備的晶體質(zhì)量相同。與之形成鮮明對(duì)比的是，在相同溶液中，在沒(méi)有攪拌的情況下，晶體生長(zhǎng)10分鐘后尺寸僅2μm；當(dāng)不加入PIL-1但有攪拌時(shí)，晶體生長(zhǎng)10分鐘后尺寸為44μm，在攪拌情況下加入聚電解質(zhì)后，TA的晶體生長(zhǎng)速度提高了171倍。研究者在其它20多種體系中都觀察到了晶體生長(zhǎng)速率的提高，平均生長(zhǎng)速率增加約為16倍，其中NaI晶體生長(zhǎng)速率可以提高42倍，生長(zhǎng)速率最少可以提高2倍。

多種聚電解質(zhì)均可促進(jìn)TA晶體的生長(zhǎng)

圖2. 可以促進(jìn)結(jié)晶的聚電解質(zhì)。（a）在不同的聚電解質(zhì)中，PIL1~7對(duì)結(jié)晶的促進(jìn)效果最好；（b）在PMMA/DMF和PVDF/DMF溶液中生長(zhǎng)的TA晶體的尺寸分布，平均粒徑約2μm；（c）加入不同聚電解質(zhì)時(shí)TA的晶體尺寸，長(zhǎng)方形下邊和上邊為25％和75％的尺寸分位數(shù)，中線為中位數(shù)，直線下邊和上邊為尺寸最小值/最大值。

研究者嘗試了不同結(jié)構(gòu)的聚電解質(zhì)，研究了聚電解質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)晶體生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)含有正電荷（PIL1~5和7）或者負(fù)電荷的PIL聚電解質(zhì)（PIL6）都可以促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)，但是加入PMMA和PVDF時(shí)，對(duì)TA晶體的生長(zhǎng)沒(méi)有任何提高。通過(guò)選擇不同的PIL，可以在極性溶劑（DMF、DMSO、水和甲醇）、弱極性溶劑（DCM）中促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)。當(dāng)聚電解質(zhì)的濃度為每0.75毫升75毫克，生長(zhǎng)時(shí)間為3小時(shí)，平均剪切速率為 85 s-1時(shí)，加入聚電解質(zhì)后，晶體的生長(zhǎng)普遍高于未加聚電解質(zhì)的溶液，加入PIL時(shí)，得到的晶體尺寸分布更窄。

剪切可以促進(jìn)不同晶體的生長(zhǎng)

圖3.聚電解質(zhì)對(duì)不同晶體的生長(zhǎng)促進(jìn)。（a）有攪拌（紅色）和無(wú)攪拌（藍(lán)色）時(shí)不同晶體的生長(zhǎng)尺寸；（b）生長(zhǎng)的晶體結(jié)構(gòu)；（c）生長(zhǎng)晶體照片，圖1~19中標(biāo)尺為50微米，20標(biāo)尺為0.5微米。

研究者將這一方法應(yīng)用到其它類型的結(jié)晶體系中，包括有機(jī)分子、無(wú)機(jī)鹽、金屬-有機(jī)配合物、蛋白質(zhì)分子等20種晶體，在這些體系中均發(fā)現(xiàn)了剪切對(duì)結(jié)晶生長(zhǎng)的促進(jìn)現(xiàn)象，晶體平均生長(zhǎng)速率提高了16倍，其中NaI晶體生長(zhǎng)速率提高了42倍，TA體系中更是高達(dá)171倍，最小的速率提高也有2倍，而且不同晶體的相和結(jié)晶度與傳統(tǒng)溶劑蒸發(fā)法得到的晶體一致。與不加入聚電解質(zhì)的傳統(tǒng)方法相比，多孔材料17和共價(jià)有機(jī)骨架20的BET表面積提高了51％，金屬有機(jī)骨架19則提高了24％。

剪切促進(jìn)晶體生長(zhǎng)機(jī)理研究

圖4.剪切速率和聚電解質(zhì)鏈長(zhǎng)對(duì)TA晶體生長(zhǎng)的影響。（a）在不同剪切速率下PIL-1/DMF溶液中TA生長(zhǎng)3h后的晶體尺寸分布圖；（b）在85 s-1剪切速率下加入不同分子量的PIL-1溶液中生長(zhǎng)3h后的晶體尺寸分布圖；（c）b中得到的TA晶體的平衡溶解度；（d）不同剪切速率下的溶液粘度。

為了更好地了解剪切促進(jìn)晶體生長(zhǎng)的機(jī)理，研究者系統(tǒng)研究了剪切速率和聚電解質(zhì)鏈長(zhǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。當(dāng)其它條件不變時(shí)，晶體的尺寸隨剪切速率的增加而增加，當(dāng)剪切速率為167 s-1時(shí)，晶體生長(zhǎng)速率受到反應(yīng)裝置間隙的影響。當(dāng)剪切速率一定時(shí)，晶體尺寸隨著PIL-1鏈長(zhǎng)的增加而提高，同時(shí)晶體溶解度下降，溶液的粘度提高。這一結(jié)果說(shuō)明剪切對(duì)晶體生長(zhǎng)的促進(jìn)作用不能用剪切促進(jìn)了晶體之間的傳質(zhì)來(lái)解釋，因?yàn)槿芤赫扯仍礁邆髻|(zhì)速率越慢。研究者認(rèn)為剪切對(duì)結(jié)晶的促進(jìn)是由于在剪切作用下，溶液中的聚電解質(zhì)發(fā)生了解纏結(jié)，被“拉長(zhǎng)”的聚電解質(zhì)與結(jié)晶分子之間對(duì)溶劑進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，聚電解質(zhì)得到了更多的溶劑分子，而結(jié)晶分子失去了溶劑只能進(jìn)行結(jié)晶，這一效果類似于“鹽析”。

圖5. 粒徑對(duì)局部剪切速率的影響。（a）晶體附近最大剪切速率隨晶體尺寸和角度的變化曲線；（b）在水平Couette流中一根長(zhǎng)的，可自由旋轉(zhuǎn)的桿附近的剪切速率理論計(jì)算結(jié)果。

研究者采用計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算了晶體附近剪切速率的變化，發(fā)現(xiàn)晶體尺寸越大，晶體的生長(zhǎng)速率更快，這是由于在剪切流動(dòng)中，具有尖銳邊緣的顆粒附近的局部剪切隨粒徑尺寸的增加而增加，所以在較大的顆粒附近，PIL鏈段解纏結(jié)效應(yīng)更加顯著，對(duì)溶劑的“競(jìng)爭(zhēng)”更加有效，因此晶體尺寸越大越優(yōu)先增長(zhǎng)。

小結(jié)

在傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，機(jī)械攪拌會(huì)導(dǎo)致二次成核，從而降低晶體尺寸，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院Grzybowsk教授課題組對(duì)晶體生長(zhǎng)的研究徹底顛覆了人們的傳統(tǒng)認(rèn)知，他們發(fā)現(xiàn)在DMF溶液中加入聚電解質(zhì)后，攪拌會(huì)讓TA晶體生長(zhǎng)的更大、更快，10分鐘后，TA晶體就可以生長(zhǎng)到440微米，生長(zhǎng)速度比傳統(tǒng)方法提高了171倍，在有機(jī)分子、無(wú)機(jī)鹽、金屬-有機(jī)配合物和蛋白質(zhì)體系中這一方法均有效，平均晶體生長(zhǎng)速率提高了16倍。研究者認(rèn)為剪切之所以會(huì)促進(jìn)晶體生長(zhǎng)，是由于剪切促進(jìn)了聚電解質(zhì)的解纏結(jié)，增加了聚電解質(zhì)對(duì)溶劑的競(jìng)爭(zhēng)，使得晶體分子“被迫”析出，而且晶體尺寸越大，生長(zhǎng)速率越快。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2042-1