化学规则被打破：晶体形成的新理论，溶剂控制一切

化学规则被打破：新理论颠覆了关于晶体形成的旧观念。传统上，我们认为溶质在晶体形成中起主导作用，但新的研究表明，溶剂才是控制晶体形成的关键因素。这一两步过程不仅提高了对晶体生长的预测能力，而且在医药和技术等领域具有实际应用。

你是否还记得那个经典的高中化学实验，通过盐水溶液形成盐晶体，或者将糖水制成冰糖？现在看来，我们对这些溶液中晶体形成的理解可能是错误的。北卡罗来纳州立大学化学教授James Martin提出了一个新的理论，该理论“揭开了”晶体化过程的神秘面纱，并表明在溶液中结晶的物质是主导成分——即溶剂，而不是溶质。这一理论可能对从药物开发到理解气候变化等各个方面产生影响。
“晶体无处不在——我们从技术到医药等各个领域都使用它们——但我们对晶体化过程的实际理解一直不足，”Martin说。
Martin解释说：“关于溶解和沉淀的普遍观念是它们本质上是彼此的相反过程，但实际上它们完全不同。以高中化学实验为例：当我将盐（溶质）溶解于水（溶剂）中时，水是主导的。它通过基本上撕裂盐来溶解它。”“如果我想从那个溶液中生长出一个盐晶体，主导相必须变成盐——在这一点上是溶剂，是形成晶体的那一个。”

热力学相图可以用于说明这一新理论，被称为过渡区理论。该理论展示了晶体化发生在两个步骤中：首先形成一个类似熔体的预生长中间体，然后这个中间体可以组织成晶体结构。
Martin将他的理论应用于不同的溶液、浓度和温度条件，并发现它准确地描述了晶体形成的速度和大小。“以前对晶体化的描述的主要问题是，人们认为晶体是通过独立的溶质粒子扩散到生长的晶体界面并附着在其上来生长的，”Martin说。“相反，要描述晶体生长，需要理解溶剂的协同集合。”
根据Martin的说法，新理论的重要方面是它关注如何理解溶质杂质如何破坏溶剂的协同集合。“通过理解温度和浓度的相互作用，我们可以准确预测晶体将如何快速和长大。”
Martin认为，相图不仅可以用于晶体形成，还可以用于防止晶体形成，例如防止肾结石的生长。“晶体支撑技术——它们无处不在，影响我们的日常生活，”Martin说。“这一理论为研究人员提供了简单的工具，以理解晶体生长的‘魔法’并做出更好的预测。这是基础科学为解决各种现实世界问题奠定基础的一个例子。”
这项新理论为我们提供了一个全新的视角来理解晶体形成的过程，强调了溶剂在晶体生长中的主导作用。随着对这一理论的进一步研究和应用，我们有望在医药开发、气候变化研究以及日常技术中实现更多的创新和改进。我们邀请您在评论区分享您对这项新理论的看法，以及它可能对化学和相关领域带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1016/j.matt.2024.08.011