您還記得高中化學實驗中鹽水溶液中會形成鹽晶體的情景，或是糖水中長出冰糖結晶的情景？ 事實證明，對晶體如何在這些溶液中形成的理解可能是錯誤的。一種新理論”揭開”了結晶過程的神秘面紗，並表明結晶物質是溶液中的主要成分–是溶劑，而不是溶質。 這個理論可能會對從藥物開發到理解氣候變遷等各個方面產生影響。

北卡羅來納州立大學化學教授、《物質》雜誌上一篇​​概述該理論的論文的作者詹姆斯-馬丁（James Martin）說：”晶體無處不在–我們在從技術到醫學的所有領域都使用它們- -但我們對結晶過程的實際理解卻一直很不足。

“人們普遍認為溶解和沈澱本質上是相反的，其實不然。 實際上，它們是完全不同的過程，”馬丁說。 「以從溶液中提取沉澱物的高中化學實驗為例：當我把鹽（溶質）溶解到水（溶劑）中時，水是主導。 它基本上是通過撕裂鹽來溶解鹽的，如果我要從該溶液中生長出鹽晶體，主導相必須變成鹽–此時鹽是溶劑，是形成晶體的相。

熱力學相圖描述了溶液中與濃度和溫度有關的轉變點，可用來說明被稱為過渡區理論的新理論。

此理論證明，結晶分為兩個步驟：首先形成類似熔體的前生長中間體。 然後，該中間體可以組織成晶體結構。

“要從溶液中長出晶體，就必須快速分離溶劑和溶質，”馬丁說。 “我們這裡所說的’熔體’，是指晶體形成前的溶劑純相。 這裡的區別在於，我的理論表明，通過將溶液轉向強調溶劑的條件，可以獲得更好、更快的晶體生長；換句話說，控制晶體生長速度的是溶劑，而不是其中的雜質。

馬丁將他的理論應用於多種不同的溶液、濃度和溫度條件，發現它能準確描述晶體形成的速度和大小。先前對結晶的描述存在的主要問題是，人們認為晶體的生長是透過獨立的溶質顆粒擴散到生長中的晶體界面，然後附著在晶體界面上。相反，有必要了解溶劑的合作組合來描述晶體生長。

新理論的重要之處在於它著重於理解溶質雜質如何破壞溶劑的合作組合。透過了解溫度和濃度的相互作用，可以準確預測晶體從溶液中生長出來的速度和大小。

熱力學相圖不僅在晶體形成方面有重要應用，在防止晶體形成方面也有重要應用，例如防止腎結石生長。

“晶體是科技的基礎–它們就在我們身邊，影響著我們的日常生活，」馬丁說。 “這個理論為研究人員提供了簡單的工具，幫助他們理解晶體生長的’魔力’，並做出更好的預測。 這是基礎科學如何為解決各種現實問題奠定基礎的一個例子”。

編譯自/ ScitechDaily

DOI：10.1016/j.matt.2024.08.011