溶液晶体生长成核研究

成核和生长是溶液晶体生长的两个重要环节。但对成核的研究远不及对生长的研究。本项目紧密围绕成核环节，从实验、理论分析并结合数值模拟开展成核研究。包括以下几方面内容：（1）从测得的成核诱导期计算界面张力，并利用经典成核理论，计算临界晶核半径、临界吉布斯自由能和成核率等热力学和动力学参数；（2）结合对微滴浓度场的模拟结果，用项目组提出的"蒸发成核法"实验，借助原子力显微镜，观测临界晶核大小和形状；（3）用蒙特卡洛法计算临界晶核大小和成核功，并由非平衡统计热力学理论出发，计算成核诱导期；（4）比较分析实验结果和理论分析结果, 探讨经典成核理论的合理性，探寻成核的涨落机制。项目的完成可望对溶液晶体生长的成核特性和规律有更深入的认识，对经典成核理论存在的一些问题作出阐释，并有望总结出成核的一些新机制；开拓由非平衡统计热力学理论出发计算成核诱导期和用蒙特卡洛法计算溶液晶体生长临界晶核大小和成核功的途径。

溶液晶体生长的成核和生长都是很重要的环节，然而，由于研究难度大，目前人们对成核环节的关注很少，本项目正是在这样的背景下提出的。项目属于非平衡热力学学科方向。主要内容包括：（1）借助“蒸发成核法”实验及原子力显微镜实时原位扫描实验，研究临界晶核的大小和形状；（2） 通过溶液稳定性实验，结合理论分析及计算，获取成核过程的热力学和动力学参数，如固-液界面张力、临界晶核半径、临界吉布斯自由能和成核速率等参数；（3）比较实验结果和理论结果，探寻经典成核理论的合理性。项目获得了如下重要结果：就临界晶核大小方面，用“蒸发成核法”观测到的临界晶核大小在低过饱和度下与理论值接近；用AFM实时扫描实验得到的临界晶核大小与理论值相差不多，可称为准临界晶核（或初生核）。在准临界晶核形状方面，两种方法得到的形状均并非一定为球形，有球形、椭球形和矩形。在溶液稳定性和成核的热、动力学参数计算方面，对纯KDP溶液和掺杂乃至双掺杂的KDP溶液，对纯ADP溶液和pH值改变后的ADP溶液，对纯ZTS溶液和掺杂后的ZTS溶液的稳定性实验表明，掺杂或改变pH值均有可能提高溶液的稳定性；掺杂可以改变固-液界面张力、临界成核功、临界晶核半径和成核速率；结果表面，高过饱和度下，溶液以均匀成核方式为主，过饱和度低于一定值时，则以非均匀成核为主。在探寻经典成核理论的合理性方面，本项目最重要的结论是：（准）临界核并非球形，经典Gibbs理论关于临界核为球形的假说是值得商榷的。本项目共发表论文13篇，其中SCI收录4篇（境外期刊），EI收录13篇（次）。培养博士研究生4人，硕士研究生9人。