氨基酸非线性光学材料成核及生长微观特性的研究

As distinctively new-type nonlinear optical materials, amino acid crystals become the important research field in the world. In this project, the microscopic nucleation and growth characteristics of the amino acid crystals have been investigated. The specific content includes: In order to reveal the inner relations between the structure features of phase change interface, solution stabilities, properties and nucleation and growth mechanisms and external links conditional interaction under the effect of the multi physical field, the interface behavior of fluid phase and crystalline phase will be explored, and the influence of thermodynamics, kinetics and statistical physics on nucleation and growth process has been looked for. In addition, the structure of the amino acids crystals can be studied by theoretical calculation and synthesis design. From the microscopic point of view, the interaction between molecules, the energy and force, the origin and mechanism of nonlinear optical effect when chemical reactions occurring on the surface have been studied. And then, the molecular design method can be proposed for some typical nonlinear optical materials.

氨基酸晶体是具有特色的新型非线性光学材料，成为国际上重要的研究领域。本项目围绕氨基酸晶体成核及生长微观特性进行研究：探索流体相、结晶相的界面行为，寻找影响成核及生长过程的热力学、动力学和统计物理的规律，揭示多元耦合物理场作用下相变界面的结构特征、溶液稳定性、材料性能等因素与成核及生长机制的内在联系及其与外界条件相互作用的规律。对氨基酸非线性光学材料的结构进行理论计算模拟和合成设计，从微观角度考察结晶过程中氨基酸分子间的相互作用，研究分子在表面发生化学反应时，原子分子的能量和作用力、非线性光学效应的微观起源及其机制，进而对一些典型非线性光学材料的合成路线提出分子设计思路。

氨基酸晶体是具有特色的新型非线性光学材料，成为当前国内外关注的研究主题。我们基于对氨基酸晶体材料的研究积累并结合本领域的研究进展，抓住具有重要基础科学意义的研究课题，采用理论分析、数值模拟并结合实验的方法展开研究。具体工作包括：①开展了氨基酸晶体溶液成核试验的研究，探讨了外界条件（pH值、温度、湿度、溶液浓度和过饱和比）与成核生长的内在关系，获得了溶液成核的热、动力学关键数据包括临界成核功、晶核临界半径、二维核铺展速度、台阶动力学系数、台阶边界的自由能等基础数据；②借助原子力显微镜的实时原位扫描技术，实时观测了氨基酸晶体的成核过程，发现最小尺寸晶核（准临界晶核）的大小与经典理论预测的计算值较为接近，但其形状并非理论预测的圆形而是呈现椭圆形状并表现为明显的各向异性生长。研究结果表明若两个反方向旋转的螺位错间距大于两倍的临界晶核半径时，生长丘的相遇可组成封闭型的台阶。随着过饱和度的增加，台阶的边缘位置成为二维核优先选择的位置，但不可避免地会伴随有一些缺陷的产生；③从微观角度探讨了氨基酸晶体材料的非线性光学性能与内部微观分子结构、电子结构的依赖性关系，发现氢键在晶体构建中起了重要作用，通过合理利用晶体分子的性质，增强分子内电荷转移程度, 可以大大改善晶体分子的二阶非线性光学响应，提高其非线性光学性能。总之，通过一年的项目研究，展开了氨基酸非线性光学材料成核及生长微观特性的研究，锻炼培养了一支研究队伍。作为项目的延伸，我们将集中精力在结晶成核过程的优化控制、动态过程的可视化监测、结晶动力学参数的定量测量、晶体质量的优化等方面，继续开展具有创新性的科学研究探索工作。