L-精氨酸盐晶体生长新系统输运特性及热动力学行为的研究

Amino acid is the basic unit of protein and arginine is one of the amino acids. As distinctively novel nonlinear optical materials, L-arginine family crystals have broad application prospects in many fields such as inertial confinement fusion, high power laser frequency conversion and wave-front shaping. This project proposes a new-type growth system in view of the defect of the traditional method for preparation of the L-arginine family crystals. The problem concerning about the transport characteristics and micro thermokinetic behavior in the process of crystal growth has been studied. The specific content includes: In order to reveal the influence rule about the flow and transfer properties on crystal quality and morphological stability, the establishment of the computational fluid dynamics steady-state model, boundary and initial conditions about the concentration field and flow field are studied with the aid of basic theory of hydrodynamics, heat transfer and mass transfer. The micro nature, micro surface morphologies and its dynamic real time propagation process on the phase interface of L-arginine family crystals are observed and investigated. Research about the effect of crystal structure, crystal defects and other factors on the properties and growth mechanism of L-arginine family crystals has also been carried out. The mechanism and its microscopic origin of the nonlinear optical effect of L-arginine family crystals are analyzed. The research results mentioned above are the basis for the exploration of the crystal microstructure, properties, defects, surface morphologies and growth mechanism of internal and external links conditional interaction. In summary, the research in this project has great significance for both the preparation and the application of the novel amino acid family of nonlinear optical crystal materials.

氨基酸分子是组成蛋白质的基本单位，精氨酸是天然氨基酸中的一种。L-精氨酸盐晶体作为具有特色的新型非线性光学材料在激光惯性约束核聚变、强激光频率转换、波前整形等方面具有广阔的应用前景。本项目针对传统方法制备L-精氨酸盐晶体的缺陷，提出了一种新型的生长系统，围绕晶体生长过程中的输运问题及微观热动力学特性进行研究：以流体力学、传热传质等理论知识为背景，研究晶体生长浓度场、流场的计算流体动力学建模及其边界与初始条件，揭示晶体生长的流动和输运特性对晶体生长质量及表面形貌稳定性影响的规律。观察研究晶体相变界面的微观性质、微观形貌及其动态实时推移过程，研究晶体结构、缺陷等因素对晶体性能及生长机理的影响，分析晶体非线性光学效应的微观起源及其机理，从而探索晶体微观结构、性能、缺陷、微观形貌和生长机理的内在联系及其与外界条件相互作用的规律。本项目的研究对新型氨基酸类非线性光学晶体材料的研制及应用具有重要意义。

本项目采用理论分析、数值模拟并结合实验的方法，围绕氨基酸晶体成核生长及微观热力学、动力学特性进行研究，为优化晶体生长过程提供可靠的实验手段和定量的数据基础。已经完成的主要研究工作包括：（1）搭建新型的晶体生长系统，通过强制对流方式对晶体表面附近的溶质给予补充，实现高光学质量晶体的快速生长。研究精氨酸盐晶体相变界面动态的实时推移过程，分析粗糙化-小面化转变的形成机理，完成了溶液的亚稳区和成核诱导期实验，在此基础上利用经典成核理论获得了固-液表面张力、晶核临界半径、晶体生长速率、成核速率等关键参数；（2）建立数值计算模型，研究溶液浓度、表面过饱和度、生长边界层厚度的分布规律，分析不同生长条件下溶液内流场和和浓度场的实时变化及形成机制，定性分析生长溶液中的流场和浓度场特性；（3）为了更全面的研究氨基酸盐类晶体结构及其性能，拓展课题组的研究方向，设计制备了几种新型的非线性光学材料，它们和精氨酸盐晶体一样同属于氨基酸家族中具有优异性能的功能晶体。通过第一性原理和双能级模型、电荷转移模型等理论研究模型的有机结合，从原子分子角度探讨晶体结构、单晶生长、分子光谱等因素与宏观非线性光学特性的关系，解释了非线性光学效应。研究结果表明电子相关效应、频率色散和基组效应及电子跃迁时发生的电荷转移等因素都会对晶体的二阶非线性光学性能产生较大影响。这些新晶体材料的成功研制及深入研究能够促进氨基酸盐晶体生长机理的探索，为高抗光损伤器件的设计和应用奠定基础；（4）相变界面的微观形貌及其微观性质集中体现了热力学和动力学的综合作用，晶体表面微观形貌的差异很大程度上其实就是晶体不同生长机理的直接反映。为此，利用原子力显微镜等微观手段从原子和分子水平上通过对晶面微观形貌的特征分析，结合晶体生长机理的相关理论，揭示晶体微观结构、性能、缺陷、形貌和生长机理的内在联系及其与外在条件相互作用的规律，获得详实的微观实验数据，实现宏观物理量与微观量的直接比较分析，形成实验验证理论，理论指导实验。在本基金项目的资助下，课题组在国外学术期刊上已发表学术论文8篇（全部SCI收录），另外已完稿等待发表SCI收录学术论文3篇。获得山东高等学校优秀科研成果奖二等奖、三等奖各1项（项目负责人首位），济南大学优秀科研成果奖二等奖、三等奖各2项（项目负责人首位）。