在聚离子液体存在下，剪切应力促进均苯三甲酸晶体的生长。

近日，北京理工大学明升手机与化工学院教授孙建科与韩国基础app研究院合作，以《聚电解质溶液剪切流场促进晶体生长》为题，将其“剪切促进晶体生长”研究成果发表于《自然》杂志上。该研究提出了利用剪切驱动的封闭系统恒温结晶方法，为简单、高效合成高质量的单晶提供了新思路。

制备高质量且粒径尺寸合适的单晶，在有机合成以及制药等相关行业至关重要。高质量的单晶生长通常需要数小时至数天，且在此期间要避免外界环境扰动。基于传统的结晶学理论，机械搅拌和剪切流容易引起二次成核，不利于晶体的生长。

该项研究突破了人们对传统晶体生长机理的认知，发现在聚离子液体（PIL，一类聚电解质材料）存在的环境中，不断的搅拌会让晶体生长的更快、更大。

该方法以小分子均苯三甲酸结晶为例，在咪唑类聚离子液体（3-氰甲基-1-乙烯基咪唑双?三氟甲烷磺酰?亚胺盐聚合物）存在下，经过10分钟的搅拌（400转/分钟），均苯三甲酸晶体的平均尺寸可达到440微米，较相同条件下不搅拌的体系获得的晶体平均尺寸增长了171倍，该方法也远快于传统的室温挥发方法。

更为重要的是，该方法具有很好的普适性，对无机、有机、无机—有机杂化晶体，甚至一些蛋白质晶体都具备促进生长的效果。不仅如此，相比较传统方法，该方法还能有效提升多孔晶态材料的比表面积，譬如对于有机多孔分子笼，金属—有机框架以及共价有机框架等。应用该方法合成出来的孔材料，其比表面积提升了24%至51%。

进一步的机理研究表明，在剪切力场下晶体加速生长，可归纳为如下两种因素的协同作用：在剪切应力下，聚离子液体高分子链段会展开/拉伸，竞争溶剂分子，导致溶质的溶解度降低，结晶析出；局部剪切速率跟颗粒尺寸成正比，晶体尺寸越大，晶体的生长速率越快。

对于第二种情况，该研究进一步采用了计算流体力学模拟验证。结果显示，在剪切流动中，颗粒的尖锐边缘附近的局部剪切速率，随粒径尺寸的增加而增加。因此，在较大的颗粒附近，聚离子液体高分子链段解缠结效应会更为显著，对溶剂的“竞争”也更为有效，导致大尺寸晶体优先生长。

据悉，该方法是对当前晶体生长技术的一个重要补充，有望大大降低材料加工和制药业中晶体生长成本。

相关论文信息：http://doi.org/10.5281/zenodo.3533635