结晶过程与原理(英文)

ChemistryandCrystalGrowth

JurgHulliger

Researchfields:

1、chemistry,crystalgrowth2、physicalpropertiesofinorganicandorganicsolidmaterials3、thedevelopmentofspecialmethodsforthesynthesisofcrystalsandfortheinsitucharacterizationofcrystalgrowth.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth01020304Introduction

FundamentalsofCrystalGrowth

ExperimentalMethodsofCrystallization

ProgressintheSingle-CrystalGrowth

ofMaterialsofTopicalInterest

05SummaryandFutureProspects

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthAbstract

单晶材料和其他形式的凝聚态物质(陶瓷、聚合物、液晶等)是现代技术的基础.因此，新材料的基础研究和生产具有“量身定制”的固态物理特性，因此不仅需要化学合成，而且还必须生产特定形态的单晶(要么是大块的要么是薄的晶体)，以及明确定义的晶体缺陷(掺杂).在这篇综述中，试图将传统的化学合成概念拓展到单晶合成的过程中.本文对固体材料的具体性能进行了探讨，并通过实验装置来说明化学结晶过程中一系列问题的解决方法.此外，还包括了近年来关于高温超导体、有机非线性光学化合物和蛋白质的单晶体生长的研究.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth1.Introduction

1.1.ChemistryandCrystalGrowth:TheEvolutionandSignificanceofCrystallization

1.2.FromCrystallizationtoSingleCrystalGrowth

化学与晶体生长：结晶的演变与意义从结晶到单晶生长2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth在化学的发展过程中，化学家们主要关注的是低分子量和大分子物质的合成，以及通过分子吸积而形成的扩展的固态结构.这导致了“晶体成核和生长”在化学知识的地图上仍然是黑暗的虚拟区域.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthThemorechemistryexpanded,themorethechemistconcernedhimselfwithchemicalreactions,andthelesswiththestateofhissubstances.Inparticular,heentrustedthestudyofcrystalstocrystallographersorstructuralphysicists.”——Luttringhaus

化学扩展得越多，化学家对化学反应的关注就越多，而对物质的状态关注越少。特别是将晶体研究委托给晶体学家或结构物理学家。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthItishightimetorecognizethatbesidesclassicalchemistry,whichdealswithindividualmoleculesandatomsorions,Thereexistschemistrywherechemicaltransformationhasacollectivecharacter.Thischemistrycannotbeequatedwithclassicalchemistrynorextrapolatedfromit.——Anopinionpollinvolving50specialists

现在应该认识到，除了涉及单个分子和原子或离子的经典化学之外，具有集体性质的化学转化也存在。这种化学不能等同于经典化学，也不能从中推断出来。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth

在固态化学的情况下，导致复杂固体形成的过程的集体性质是有压力的，但是，即使在这方面，也没有提到晶体生长的过程和机制及其表征的一般重要性。我们必须毫不夸张地说:与晶体生长(单一晶体的合成——有别于分子合成或他通常的合成固体材料)相关的固态性质(如物理学所考虑的)并不是化学的关注，或者只是处于边缘。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth从今天的观点来看，化学家的基本问题是化学在何种程度上将固态性质和单晶合成作为其未来研究和教学的新主旨之一。

根据这一提纲，将讨论两个主题:1)从现代化学家的观点中对结晶和晶体生长的基本原理进行介绍。2)对可促进大规模结晶(实验室规模)的进展，或生产小单晶(用于结构调查)和制备大单晶(用于研究固体状态的物理)的方法的实际讨论。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth大多数类型的化学结晶可分为三类:a)大规模生产的小晶体,b)结晶的单晶(<1mm),和c)增长的单晶(1mm-1m)。对于新合成的化合物，理想的固态性质首先是用多晶(例如，陶瓷)和小的单晶样品进行研究，然后通过发展特定的晶体生长方法(体积、薄膜和纤维单晶)来优化。从材料研究的角度来看，目前常用的合成方法为单晶生长的方法，实现了理想的固态性能。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth到目前为止，这篇文章的目的是阐明化学中结晶的意义，并为后面的讨论的具体性质做准备，这部分内容描述了现代晶体生长的实验。在该理论的概要(第2节)之后，在第三节中提出了一种非常实用的系统方法。在第四节中，简要讨论了三种热门材料的晶体生长情况。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2.1.EnergeticsandKineticsofNucleationandVolumeGrowth2.2.PhaseDiagramsandaSystematicClassificationforGeneralMethodsofCrystalGrowth2.3.MorphologyasaProperty2.FundamentalsofCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth3.1.实验室规模的结晶3.1.1.溶液结晶3.1.2.熔体结晶3.1.3.气相结晶3.1.4.固态结晶3.1.5.衍生物形成的结晶3.1.6.溶液化学结晶的基本原理。3.2.晶体生长的探索方法

3.3.现代先

进化学结晶方法探讨3.3.1.略微过冷的有机熔体结晶3.3.2.通过等饱和蒸发进行结晶3.ExperimentalMethodsofCrystallization

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth1）选择化学稳定的双组分或多组分体系2）排除抑制成核和生长的成分3）适合结晶的浓度范围：5wt%-30wt%，当生长大量单晶时，X物质的浓度应尽可能高。4）最佳的成核和生长温度通常远低于纯物质的熔点，并且明显高于纯溶剂的共晶温度或熔点。5）在成功成核之后，体积增长应当接近饱和温度（但总是在亚稳区域内）需要具有可编程温度的加热槽6）当与自发成核作用时，少量的不溶性固体在化合物首次结晶时不应被除去，因为这些成分通常会降低成核阈值。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth4.ProgressintheSingle-CrystalGrowthofMaterialsofTopicalInterest4.1.SpecialLiteratureInformation

4.2.High-TemperatureSuperconductors4.3.NonlinearOpticalMolecularCrystals

4.4.ProteinCrystallization

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth5.SummaryandFutureProspects

虽然这些是25年前写的，但大部分合成化学尚未采用晶体生长作为一种特殊的物理性质的超分子结构的特殊合成方法。然而，自固体物理学和材料科学的普遍高涨以来，大量单晶材料的发展，已经表明了一种化学的可能性，它既包含了新化合物的经典合成，又包含了具有有趣性质的单晶相的形成。在我看来，关于晶体生长科学的学科合作和理论方面的研究，我认为中心话题是关于系统实际