《Nature》：聚电解质助力 搅拌竟能加速晶体生长 提速171倍

在有机合成以及制药行业，制备粒径合适、高质量的晶体至关重要。目前，制备出这样的晶体往往需要数小时甚至数天的时间，更重要的是制备过程中不能有任何的搅拌，传统结晶理论认为机械搅拌带来的扰动会导致二次成核效应，这会造成晶体尺寸的下降。

韩国基础科学研究院Grzybowski教授课题组的研究颠覆了人们对传统晶体生长机理的认知，他们发现在聚电解质的存在下，搅拌会让晶体生长的更大、更快。只需要10分钟，均苯三酸（TA）晶体就可以生长到440微米，生长速度提高了171倍。而且，这种方法可以用于制备有机分子、无机盐、金属-有机配合物，甚至某些蛋白质分子，表现出广泛的适用性。研究者将这种晶体生长的促进归因于两种协同效应：剪切作用下聚电解质及其聚集体发生了解缠结，会“窃取”更多的溶剂分子，使得结晶分子缺乏溶剂而“析出”结晶；晶体尺寸越大，聚电解质对溶剂分子的“窃取”效应越强，生长速率越快。

剪切促进TA晶体的生长

图1. 在聚电解质存在下剪切促进了TA晶体的生长。（a）实验装置示意图；（b和c）在有（b）和没有（c）剪切的情况下，在相同的TA/PIL-1/DMF溶液中，10分钟后生长的TA晶体的光学图像；（d）晶体粒径随时间的变化曲线（蓝色曲线有聚电解质PIL-1和剪切，绿色曲线没有聚电解质但是有剪切，黑色曲线有聚电解质但是没有剪切）；（e）在PIL-1/DMF溶液中，剪切速率为167 s-1时（蓝色曲线）和没有PIL的情况下从TA/DMF溶液中蒸发溶剂得到的TA单晶（黑色曲线）的1H NMR谱图；（f）在167 s-1的剪切速率下PIL-1/DMF中生长的TA晶体的 X射线衍射光谱（蓝色曲线）与DMF中生长的TA晶体（黑色曲线）的文献数据相比；（g和h）机理示意图：聚电解质（蓝色）和结晶物质（绿色）竞争溶剂（灰色），当不存在剪切时（g），缠结聚电解质溶剂化的溶剂量低于（h）中存在剪切时解缠结的聚电解质溶剂化的溶剂量，解缠结的聚电解质从结晶物质的分子中“窃取”更多的溶剂，使这些分子在附近的晶体上析出。

研究者在二甲基甲酰胺（DMF）中进行了TA晶体的生长实验，以3-氰基甲基-1-乙烯基咪唑双（三氟甲磺酰基）亚胺（PIL-1）为聚电解质。当内筒开始旋转时，在溶液中产生了剪切流动，旋转30秒后，在溶液中肉眼即可看到针状晶体，在10分钟后晶体尺寸生长至440μm，一小时后尺寸增加到740μm。XRD和1H NMR表明制备的晶体质量好，纯度高，与重结晶和蒸发法制备的晶体质量相同。与之形成鲜明对比的是，在相同溶液中，在没有搅拌的情况下，晶体生长10分钟后尺寸仅2μm；当不加入PIL-1但有搅拌时，晶体生长10分钟后尺寸为44μm，在搅拌情况下加入聚电解质后，TA的晶体生长速度提高了171倍。研究者在其它20多种体系中都观察到了晶体生长速率的提高，平均生长速率增加约为16倍，其中NaI晶体生长速率可以提高42倍，生长速率最少可以提高2倍。

多种聚电解质均可促进TA晶体的生长

图2. 可以促进结晶的聚电解质。（a）在不同的聚电解质中，PIL1~7对结晶的促进效果最好；（b）在PMMA/DMF和PVDF/DMF溶液中生长的TA晶体的尺寸分布，平均粒径约2μm；（c）加入不同聚电解质时TA的晶体尺寸，长方形下边和上边为25％和75％的尺寸分位数，中线为中位数，直线下边和上边为尺寸最小值/最大值。

研究者尝试了不同结构的聚电解质，研究了聚电解质结构对晶体生长的促进作用，发现含有正电荷（PIL1~5和7）或者负电荷的PIL聚电解质（PIL6）都可以促进晶体的生长，但是加入PMMA和PVDF时，对TA晶体的生长没有任何提高。通过选择不同的PIL，可以在极性溶剂（DMF、DMSO、水和甲醇）、弱极性溶剂（DCM）中促进晶体的生长。当聚电解质的浓度为每0.75毫升75毫克，生长时间为3小时，平均剪切速率为 85 s-1时，加入聚电解质后，晶体的生长普遍高于未加聚电解质的溶液，加入PIL时，得到的晶体尺寸分布更窄。

剪切可以促进不同晶体的生长

图3.聚电解质对不同晶体的生长促进。（a）有搅拌（红色）和无搅拌（蓝色）时不同晶体的生长尺寸；（b）生长的晶体结构；（c）生长晶体照片，图1~19中标尺为50微米，20标尺为0.5微米。

研究者将这一方法应用到其它类型的结晶体系中，包括有机分子、无机盐、金属-有机配合物、蛋白质分子等20种晶体，在这些体系中均发现了剪切对结晶生长的促进现象，晶体平均生长速率提高了16倍，其中NaI晶体生长速率提高了42倍，TA体系中更是高达171倍，最小的速率提高也有2倍，而且不同晶体的相和结晶度与传统溶剂蒸发法得到的晶体一致。与不加入聚电解质的传统方法相比，多孔材料17和共价有机骨架20的BET表面积提高了51％，金属有机骨架19则提高了24％。

剪切促进晶体生长机理研究

图4.剪切速率和聚电解质链长对TA晶体生长的影响。（a）在不同剪切速率下PIL-1/DMF溶液中TA生长3h后的晶体尺寸分布图；（b）在85 s-1剪切速率下加入不同分子量的PIL-1溶液中生长3h后的晶体尺寸分布图；（c）b中得到的TA晶体的平衡溶解度；（d）不同剪切速率下的溶液粘度。

为了更好地了解剪切促进晶体生长的机理，研究者系统研究了剪切速率和聚电解质链长对晶体生长的影响。当其它条件不变时，晶体的尺寸随剪切速率的增加而增加，当剪切速率为167 s-1时，晶体生长速率受到反应装置间隙的影响。当剪切速率一定时，晶体尺寸随着PIL-1链长的增加而提高，同时晶体溶解度下降，溶液的粘度提高。这一结果说明剪切对晶体生长的促进作用不能用剪切促进了晶体之间的传质来解释，因为溶液粘度越高传质速率越慢。研究者认为剪切对结晶的促进是由于在剪切作用下，溶液中的聚电解质发生了解缠结，被“拉长”的聚电解质与结晶分子之间对溶剂进行竞争，聚电解质得到了更多的溶剂分子，而结晶分子失去了溶剂只能进行结晶，这一效果类似于“盐析”。

图5. 粒径对局部剪切速率的影响。（a）晶体附近最大剪切速率随晶体尺寸和角度的变化曲线；（b）在水平Couette流中一根长的，可自由旋转的杆附近的剪切速率理论计算结果。

研究者采用计算流体力学计算了晶体附近剪切速率的变化，发现晶体尺寸越大，晶体的生长速率更快，这是由于在剪切流动中，具有尖锐边缘的颗粒附近的局部剪切随粒径尺寸的增加而增加，所以在较大的颗粒附近，PIL链段解缠结效应更加显著，对溶剂的“竞争”更加有效，因此晶体尺寸越大越优先增长。

小结

在传统的晶体生长过程中，机械搅拌会导致二次成核，从而降低晶体尺寸，韩国基础科学研究院Grzybowsk教授课题组对晶体生长的研究彻底颠覆了人们的传统认知，他们发现在DMF溶液中加入聚电解质后，搅拌会让TA晶体生长的更大、更快，10分钟后，TA晶体就可以生长到440微米，生长速度比传统方法提高了171倍，在有机分子、无机盐、金属-有机配合物和蛋白质体系中这一方法均有效，平均晶体生长速率提高了16倍。研究者认为剪切之所以会促进晶体生长，是由于剪切促进了聚电解质的解缠结，增加了聚电解质对溶剂的竞争，使得晶体分子“被迫”析出，而且晶体尺寸越大，生长速率越快。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2042-1