【晶云·学术】Nonclassical Crystal Growth and Growth Rate Hysteresis

晶体在不纯溶液中生长时，杂质会限制溶质的流动，降低晶体的生长速度，甚至抑制晶体的生长。本文首次证明了，采用不同于钉扎机制的非常规结晶途径，可以使姜黄素晶体在含有两种结构相似杂质的不纯溶液中生长。研究发现，在含有20%杂质的不纯溶液中，高过饱和度促进成核，在晶种上形成新的生长表面。这些以消耗过饱和度，在晶种表面行成的活跃的生长面，决定了晶体生长动力，特别是在低饱和度的情况下。如果可以在晶体表面人工制造出微米级尺寸上的巨型台阶，那么这些台阶能加快结晶速度，还能控制杂质进入块状晶体的转移速率。

晶体生长是由于分子或原子以高度有序的方式聚集形成晶格而发生的。溶液中杂质的存在会抑制生长，改变晶体生长动力学并影响晶体的性质。根据杂质的性质和类型，可能增加或减少生长速度。杂质也可能导致不同于在纯溶液中观察到的生长行为。降低生长速率的杂质会在晶体表面产生死区，从而限制结晶进一步发生。

本研究中，作者发现姜黄素结晶过程中在纳米尺度上发生的替代途径。姜黄素（CUR）是一种重要的工业原料，它的溶液中含有两种结构相似的杂质，双去甲氧基姜黄素（BDMC）和去甲氧基姜黄素（DMC）。晶体生长的过程尺寸较大，可以用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。在不纯溶液中收集的一系列扫描电镜图像显示，在最大面积的晶面上形成了几纳米厚且无特征的固体，最终形成纳米尺寸的晶体，其三维尺寸与晶种不同。

通过系统的实验，研究发现这些新形成的纳米级结构就像活性表面一样，可以在高过饱和度的溶液中继续生长，直到通过一系列新的非常规机制达到饱和，而这些机制无法用现有的钉扎机制来解释。在高度不纯的溶液中，特别是在低过饱和状态下，推测这些活性表面对晶种的生长至关重要，在没有活性表面的情况下晶体几乎没有生长或生长较慢。此外，通过创新的部分溶解和晶体生长技术，发现了从纳米级前驱体演变而来的晶体，表现出加速生长速率的滞后性与过饱和度之间的函数关系。研究人员第一次观察到，这种加速的晶体生长速率滞后（GRH）抑制了杂质向晶体的转移。

这些结果非常重要，因为这种新的结晶机制可以在不添加任何添加剂的情况下，提高不纯溶液中结晶的收率。在工业结晶中，本研究提供了一种通过晶体生长过程获得更高纯度产品的新技术。

本文从初始过饱和度对不纯溶液中姜黄素晶体生长速率的影响，晶体生长速率滞后的存在以及杂质进入晶体与晶体生长动力学三个方面进行研究。表征方法上采用了SEM，Raman和XRPD。

如图1所示，异丙醇（IPA）溶液中CUR晶体的总体生长速率与两种不同初始过饱和度的过饱和比的关系图，晶体生长可能与一种不同于经典晶体生长过程的机制相关联。

为了研究初始过饱和度对晶体生长速率的影响，绘制了初始过饱和度的函数图，如图1b所示。它清楚地揭示了临界初始过饱和度的存在，S_o在不纯溶液中晶体生长至关重要。当S_o ＜ S_o,critical时，几乎没有检测到晶体的生长。 

Fig. 1 (a) The effect of initial supersaturation and supersaturation on the overall crystal growth rate of CUR at 20 °C in impure solutions. (b) Initial supersaturation versus the overall crystal growth rate of CUR at 20 °C (blue circles/lines represent the plot of R_g of the seed crystals versus initial supersaturation, filled blue circles correspond to the R_g of the parent crystals that started to grow from a solution of S_o = 4.77, filled green circlecorresponds to the R_g of the partially dissolved crystals that are growing from a solution of S ∼ 4.52).

为了深入了解这种特殊的晶体生长行为，对部分溶解实验中获得的晶体表面进行微观研究。如图2，使用扫描电子显微镜（SEM）分析了晶种以及生长实验中不同时间间隔收集的晶体样品的形貌。

Fig. 2 (a and b) SEM images of the seed crystals of curcumin (note: seed crystals were obtained via crystallisation assisted by microwave

Fig. 3 (a–f) SEM images of the crystals collected at point A of Fig. 1a (at this point S = 4.66 and the amount of supersaturation consumed due to crystal growth is equal to ∼0.11) during the crystal growth process. The green arrows in the SEM images show the newly formed structures on the seed crystals. White arrows show the rough spots observed on the surface of the parent crystals (seeds), which could be the structural precursors of the newly formed crystalline units on the parent seed crystals

经典的晶体生长模型，TSK模型认为晶体在过饱和溶液中通过基本步骤生长。然而，如果S_o ≥ S_o,critical为临界值，则CUR晶种倾向于通过在母晶表面上出现的多个纳米晶体的演化而生长。

Fig. 4 Raman spectra of the seed CUR and the crystals collected at different stages of crystal growth experiments

Fig. 5 Powder X-ray diffraction (PXRD) of the seeds and the crystals collected at point C in Fig. 1a (both the parent crystals and the regrown versions of the partially dissolved crystals). The simulated diffractogram of FI CUR (BINMEQ04) is shown for comparison purposes.

从理论上讲，晶体在不纯溶液中生长的生长动力学可以改变结晶过程中转移到晶体中的杂质量。

Fig. 6 Plot of the concentration of the impurities in the solution versus the supersaturation. Blue circles correspond to the concentration of DMC or BDMC in the solution during the growth of the parent seed crystals. Green circles correspond to the concentration of DMC or DMC during the re-crystal growth of the partially dissolved crystals. Filled circles correspond to the concentration of DMC and the open circles correspond to the concentration of BDMC.

截至目前的研究，部分溶解晶体的晶体生长有利于目标化合物的选择性转移，并最大限度地减少杂质转移到晶体中。

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