??在有機合成以及制藥行業(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)小時甚至數(shù)天的時間，更重要的是制備過程中不能有任何的攪拌，傳統(tǒng)結(jié)晶理論認為機械攪拌帶來的擾動會導致二次成核效應，這會造成晶體尺寸的下降。

韓國基礎(chǔ)科學研究院Grzybowski教授課題組的研究顛覆了人們對傳統(tǒng)晶體生長機理的認知，他們發(fā)現(xiàn)在聚電解質(zhì)的存在下，攪拌會讓晶體生長的更大、更快。只需要10分鐘，均苯三酸（TA）晶體就可以生長到440微米，生長速度提高了171倍。而且，這種方法可以用于制備有機分子、無機鹽、金屬-有機配合物，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的促進歸因于兩種協(xié)同效應：剪切作用下聚電解質(zhì)及其聚集體發(fā)生了解纏結(jié)，會“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)對溶劑分子的“竊取”效應越強，生長速率越快。

剪切促進TA晶體的生長

圖1. 在聚電解質(zhì)存在下剪切促進了TA晶體的生長。（a）實驗裝置示意圖；（b和c）在有（b）和沒有（c）剪切的情況下，在相同的TA/PIL-1/DMF溶液中，10分鐘后生長的TA晶體的光學圖像；（d）晶體粒徑隨時間的變化曲線（藍色曲線有聚電解質(zhì)PIL-1和剪切，綠色曲線沒有聚電解質(zhì)但是有剪切，黑色曲線有聚電解質(zhì)但是沒有剪切）；（e）在PIL-1/DMF溶液中，剪切速率為167 s-1時（藍色曲線）和沒有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中生長的TA晶體的 X射線衍射光譜（藍色曲線）與DMF中生長的TA晶體（黑色曲線）的文獻數(shù)據(jù)相比；（g和h）機理示意圖：聚電解質(zhì)（藍色）和結(jié)晶物質(zhì)（綠色）競爭溶劑（灰色），當不存在剪切時（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）中進行了TA晶體的生長實驗，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)。當內(nèi)筒開始旋轉(zhuǎn)時，在溶液中產(chǎn)生了剪切流動，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至440μm，一小時后尺寸增加到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。與之形成鮮明對比的是，在相同溶液中，在沒有攪拌的情況下，晶體生長10分鐘后尺寸僅2μm；當不加入PIL-1但有攪拌時，晶體生長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速率的提高，平均生長速率增加約為16倍，其中NaI晶體生長速率可以提高42倍，生長速率最少可以提高2倍。

多種聚電解質(zhì)均可促進TA晶體的生長

圖2. 可以促進結(jié)晶的聚電解質(zhì)。（a）在不同的聚電解質(zhì)中，PIL1~7對結(jié)晶的促進效果最好；（b）在PMMA/DMF和PVDF/DMF溶液中生長的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TA的晶體尺寸，長方形下邊和上邊為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)對晶體生長的促進作用，發(fā)現(xiàn)含有正電荷（PIL1~5和7）或者負電荷的PIL聚電解質(zhì)（PIL6）都可以促進晶體的生長，但是加入PMMA和PVDF時，對TA晶體的生長沒有任何提高。通過選擇不同的PIL，可以在極性溶劑（DMF、DMSO、水和甲醇）、弱極性溶劑（DCM）中促進晶體的生長。當聚電解質(zhì)的濃度為每0.75毫升75毫克，生長時間為3小時，平均剪切速率為 85 s-1時，加入聚電解質(zhì)后，晶體的生長普遍高于未加聚電解質(zhì)的溶液，加入PIL時，得到的晶體尺寸分布更窄。

剪切可以促進不同晶體的生長

圖3.聚電解質(zhì)對不同晶體的生長促進。（a）有攪拌（紅色）和無攪拌（藍色）時不同晶體的生長尺寸；（b）生長的晶體結(jié)構(gòu)；（c）生長晶體照片，圖1~19中標尺為50微米，20標尺為0.5微米。

研究者將這一方法應用到其它類型的結(jié)晶體系中，包括有機分子、無機鹽、金屬-有機配合物、蛋白質(zhì)分子等20種晶體，在這些體系中均發(fā)現(xiàn)了剪切對結(jié)晶生長的促進現(xiàn)象，晶體平均生長速率提高了16倍，其中NaI晶體生長速率提高了42倍，TA體系中更是高達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和共價有機骨架20的BET表面積提高了51％，金屬有機骨架19則提高了24％。

剪切促進晶體生長機理研究

圖4.剪切速率和聚電解質(zhì)鏈長對TA晶體生長的影響。（a）在不同剪切速率下PIL-1/DMF溶液中TA生長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晶體生長的機理，研究者系統(tǒng)研究了剪切速率和聚電解質(zhì)鏈長對晶體生長的影響。當其它條件不變時，晶體的尺寸隨剪切速率的增加而增加，當剪切速率為167 s-1時，晶體生長速率受到反應裝置間隙的影響。當剪切速率一定時，晶體尺寸隨著PIL-1鏈長的增加而提高，同時晶體溶解度下降，溶液的粘度提高。這一結(jié)果說明剪切對晶體生長的促進作用不能用剪切促進了晶體之間的傳質(zhì)來解釋，因為溶液粘度越高傳質(zhì)速率越慢。研究者認為剪切對結(jié)晶的促進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”的聚電解質(zhì)與結(jié)晶分子之間對溶劑進行競爭，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行結(jié)晶，這一效果類似于“鹽析”。

圖5. 粒徑對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流中一根長的，可自由旋轉(zhuǎn)的桿附近的剪切速率理論計算結(jié)果。

研究者采用計算流體力學計算了晶體附近剪切速率的變化，發(fā)現(xiàn)晶體尺寸越大，晶體的生長速率更快，這是由于在剪切流動中，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)效應更加顯著，對溶劑的“競爭”更加有效，因此晶體尺寸越大越優(yōu)先增長。

小結(jié)

在傳統(tǒng)的晶體生長過程中，機械攪拌會導致二次成核，從而降低晶體尺寸，韓國基礎(chǔ)科學研究院Grzybowsk教授課題組對晶體生長的研究徹底顛覆了人們的傳統(tǒng)認知，他們發(fā)現(xiàn)在DMF溶液中加入聚電解質(zhì)后，攪拌會讓TA晶體生長的更大、更快，10分鐘后，TA晶體就可以生長到440微米，生長速度比傳統(tǒng)方法提高了171倍，在有機分子、無機鹽、金屬-有機配合物和蛋白質(zhì)體系中這一方法均有效，平均晶體生長速率提高了16倍。研究者認為剪切之所以會促進晶體生長，是由于剪切促進了聚電解質(zhì)的解纏結(jié)，增加了聚電解質(zhì)對溶劑的競爭，使得晶體分子“被迫”析出，而且晶體尺寸越大，生長速率越快。

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