北理工孫建科教授研究成果發(fā)表于《Nature》
發(fā)布日期：2020-03-17 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：李亞鑫 審核：張加濤 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫建科教授以《Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow》為題，將其“剪切促進(jìn)晶體生長”研究成果發(fā)表于《Nature》雜志上（Nature 2020, 579, 73-79）,。孫建科為該論文的共同第一作者,，化學(xué)與化工學(xué)院為共同合作單位，排名第三,。此研究是與韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院Bartosz Grzybowski 教授合作完成,。
制備高質(zhì)量且粒徑尺寸合適的單晶在有機(jī)合成以及制藥等相關(guān)行業(yè)至關(guān)重要。高質(zhì)量的單晶生長通常需要數(shù)小時(shí)至數(shù)天,，且在此期間要避免外界環(huán)境擾動,。基于傳統(tǒng)的結(jié)晶學(xué)理論,，機(jī)械攪拌和剪切流容易引起二次成核,，不利于晶體的生長。孫建科教授的該項(xiàng)研究突破了人們對傳統(tǒng)晶體生長機(jī)理的認(rèn)知,，他發(fā)現(xiàn)在聚離子液體（Poly（ionic liquid）,，PIL，一類聚電解質(zhì)材料）存在的環(huán)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（trimesic acid,，TA）結(jié)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(jīng)過10 min的攪拌（400 rpm），均苯三甲酸晶體的平均尺寸可達(dá)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(yuǎn)快于傳統(tǒng)的室溫?fù)]發(fā)方法（一般需要數(shù)天）。更為重要的是,，該方法具有很好的普適性,，對無機(jī)、有機(jī),、無機(jī)-有機(jī)雜化晶體甚至一些蛋白質(zhì)晶體都具備促進(jìn)生長的效果,。不僅如此，該方法還能有效提升多孔晶態(tài)材料的比表面積,，譬如對于有機(jī)多孔分子籠,，金屬-有機(jī)框架以及共價(jià)有機(jī)框架等，相較傳統(tǒng)方法, 該方法合成出來的孔材料其BET比表面積提升了24-51%,。
圖：在聚離子液體存在下剪切應(yīng)力促進(jìn)均苯三甲酸晶體的生長
進(jìn)一步的機(jī)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(xié)同作用：1）在剪切應(yīng)力下，聚離子液體高分子鏈段會展開/拉伸,，競爭溶劑分子,，導(dǎo)致溶質(zhì)的溶解度降低，結(jié)晶析出,；2）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,。對于后者,，進(jìn)一步采用了計(jì)算流體力學(xué)模擬驗(yàn)證。結(jié)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(jié)效應(yīng)會更為顯著，對溶劑的“競爭”也更為有效,，導(dǎo)致大尺寸晶體優(yōu)先生長,。
該工作打破了人們對傳統(tǒng)結(jié)晶理論的認(rèn)識，提出了利用剪切驅(qū)動的封閉系統(tǒng)恒溫結(jié)晶方法,，為簡單,、高效合成高質(zhì)量的單晶提供了新思路。該方法是對當(dāng)前晶體生長技術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充,，有望大大降低材料加工和制藥業(yè)中晶體生長成本,。
該成果的原文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2042-1,。
附孫建科教授簡介：
孫建科，北理工化學(xué)與化工學(xué)院教授,，JSPS研究員,，洪堡學(xué)者，北理工特立青年學(xué)者,，2019年9月加盟北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,。主要從事電荷修飾多孔材料、聚離子液體及其復(fù)合材料的制備與應(yīng)用研究,。以第一作者/通訊作者在Nature,、Nature Commun、J. Am. Chem. Soc.,、Angew. Chem. Int. Ed.,、Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.等期刊發(fā)表論文30余篇,。其中4篇入選ESI高被引論文,。論文的總引用2000余次，h因子為25,。
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