新理论挑战对结晶的传统理解：晶体形成过程中起主要作用的是溶剂而非溶质

您是否还记得高中化学实验中盐水溶液中会形成盐晶体的情景，或者糖水中长出冰糖晶体的情景？ 事实证明，对晶体如何在这些溶液中形成的理解可能是错误的。一种新理论"揭开"了结晶过程的神秘面纱，并表明结晶物质是溶液中的主要成分--是溶剂，而不是溶质。 这一理论可能会对从药物开发到理解气候变化等各个方面产生影响。

北卡罗来纳州立大学化学教授、《物质》杂志上一篇概述该理论的论文的作者詹姆斯-马丁（James Martin）说："晶体无处不在--我们在从技术到医学的所有领域都使用它们--但我们对结晶过程的实际理解却一直很欠缺。"

"人们普遍认为溶解和沉淀本质上是相反的，其实不然。 实际上，它们是完全不同的过程，"马丁说。"以从溶液中提取沉淀物的高中化学实验为例：当我把盐（溶质）溶解到水（溶剂）中时，水是主导。 它基本上是通过撕裂盐来溶解盐的，如果我想从该溶液中生长出盐晶体，主导相必须变成盐--此时盐是溶剂，是形成晶体的相。"

热力学相图描述了溶液中与浓度和温度有关的转变点，可用来说明被称为过渡区理论的新理论。

该理论证明，结晶分为两个步骤：首先形成类似熔体的前生长中间体。 然后，该中间体可以组织成晶体结构。

"要想从溶液中长出晶体，就必须快速分离溶剂和溶质，"马丁说。"我们这里所说的'熔体'，是指晶体形成前的溶剂纯相。 这里的区别在于，我的理论表明，通过将溶液转向强调溶剂的条件，可以获得更好、更快的晶体生长；换句话说，控制晶体生长速度的是溶剂，而不是其中的杂质。"

马丁将他的理论应用于多种不同的溶液、浓度和温度条件，发现它能准确描述晶体形成的速度和大小。以前对结晶的描述存在的主要问题是，人们认为晶体的生长是通过独立的溶质颗粒扩散到生长中的晶体界面，然后附着在晶体界面上。相反，有必要了解溶剂的合作组合来描述晶体生长。

新理论的重要之处在于它侧重于理解溶质杂质如何破坏溶剂的合作组合。通过了解温度和浓度的相互作用，可以准确预测晶体从溶液中生长出来的速度和大小。

热力学相图不仅在晶体形成方面有重要应用，在防止晶体形成方面也有重要应用，例如防止肾结石生长。

"晶体是技术的基础--它们就在我们身边，影响着我们的日常生活，"马丁说。"这一理论为研究人员提供了简单的工具，帮助他们理解晶体生长的'魔力'，并做出更好的预测。 这是基础科学如何为解决各种现实问题奠定基础的一个例子"。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1016/j.matt.2024.08.011