1超聲結(jié)晶是研究在超聲場(chǎng)作用下晶體結(jié)晶條件，產(chǎn)品的改變及優(yōu)化。超聲波是一種機(jī)械波，在傳播過程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度非常大。在液體中傳播時(shí)，由于渦流或超聲波的物理作用，會(huì)在某一局域內(nèi)形成局部的暫時(shí)負(fù)壓相，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到某一定值時(shí)，可能會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生空化氣泡，稱為“空穴”。隨著聲場(chǎng)的變化，這些空化氣泡潰陷或消失，稱為空化現(xiàn)象。空化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會(huì)在氣泡周圍產(chǎn)生高溫和高壓，并放出大量的能量?？栈F(xiàn)象已經(jīng)得到了很多驗(yàn)證，如碘量法等。
　　超聲波在液體介質(zhì)中的傳播，由于“振動(dòng)”和“空化”作用，會(huì)對(duì)結(jié)晶的誘導(dǎo)期，介穩(wěn)區(qū)和成核粒度造成影響。這些研究在國內(nèi)外已有不少報(bào)道，但在結(jié)晶中的應(yīng)用大多處于工藝性研究，而其機(jī)理方面的研究還不是很多。本文通過對(duì)超聲波在甲硝唑溶液的降溫冷卻結(jié)晶中的實(shí)驗(yàn)研究，從熱力學(xué)的角度分析了超聲波對(duì)成核及誘導(dǎo)期，介穩(wěn)區(qū)的影響，并闡述了自己的觀點(diǎn)。
　　2實(shí)驗(yàn)
　　2.1實(shí)驗(yàn)原理
　　在溶液結(jié)晶中，飽和溶解狀態(tài)分為亞穩(wěn)區(qū)和不穩(wěn)區(qū)，溶液只有到了不穩(wěn)區(qū)才能自發(fā)成核。而不穩(wěn)區(qū)邊界的位置與外加能量有關(guān)。利用物理方法可以測(cè)量溶液初級(jí)微晶析出的溫度―――析晶溫度。介穩(wěn)區(qū)就是平衡溶解度曲線和析晶線間的區(qū)域。而從時(shí)間上看，溶液進(jìn)入不穩(wěn)區(qū)，固2液相變并不是立即發(fā)生。由母相生成新相這一轉(zhuǎn)變期，稱之為誘導(dǎo)期。
　　2.2實(shí)驗(yàn)藥品與儀器
　　超聲波發(fā)生器是雷士超聲生產(chǎn)的頻率固定為40kHz（加熱溫度為室溫～90℃、功率200W可調(diào)）的數(shù)控超聲波清洗器。

　　實(shí)驗(yàn)藥品甲硝唑（C6H9N3O3）為白色或微黃色結(jié)晶粉末。有微臭，味苦而略咸。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：符合英國藥典1998版標(biāo)準(zhǔn)或中國藥典2000版標(biāo)準(zhǔn)。用途：本品為抗阿米巴藥、抗滴蟲藥、抗厭氧菌藥。
　　2.3實(shí)驗(yàn)方法
　　介穩(wěn)區(qū)的測(cè)量：分別配置兩組40℃、50℃、60℃、70℃、80℃甲硝唑飽和溶液各30ml，以相同速率降溫，并分別加攪拌器攪拌（300r/min）和超聲波作用（功率140W）。記錄每個(gè)樣品的析晶溫度，析晶通過肉眼觀察。
　　起始溫度與析晶溫度之差即為介穩(wěn)區(qū)。
　　誘導(dǎo)期的測(cè)量：配置60℃的甲硝唑飽和溶液30ml，分別降溫至59.5℃、58℃、57℃、56℃、55℃開始加超聲波（功率140W）記時(shí)至析出晶體。配置60℃的甲硝唑飽和溶液30ml，分別降溫至57℃、56℃、55℃、54℃、52℃開始攪拌（300r/min）并記時(shí)至析出晶體。測(cè)得的時(shí)間即為誘導(dǎo)期。
　　碘量法驗(yàn)證空化現(xiàn)象：常溫下，配置0.1ml/L的KI溶液20ml，滴入一滴CCl4，超聲波（功率140W）作用后，加入少許可溶性淀粉，觀察現(xiàn)象。配置同樣溶液，攪拌器攪拌（300r/min），觀察現(xiàn)象。
　　擴(kuò)散現(xiàn)象的觀察：常溫下，向20ml水中加入少量的鎳鋅2鐵氧體顆粒，顆粒大小大約為20～30nm，常態(tài)下以團(tuán)聚狀態(tài)存在，不均勻地分布在容器底部，團(tuán)聚的鎳鋅2鐵氧體顆粒大約0.2～0.3mm在水中清晰可辨。
　　加攪拌器攪拌（300r/min）觀察現(xiàn)象并計(jì)時(shí)。配制相同的鎳鋅2鐵氧體溶液，置于超聲波清洗器中，加超聲波（功率140W）作用，觀察現(xiàn)象并計(jì)時(shí)，可重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
　　3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　?。?/span>1）1，2分別給出了在攪拌和超聲下甲硝唑溶液結(jié)晶的介穩(wěn)區(qū)和誘導(dǎo)期。
　　1中，縱坐標(biāo)為30ml溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量，橫坐標(biāo)為溶液溫度；中，縱坐標(biāo)為溶液析晶時(shí)間，橫坐標(biāo)（△C）為溶液在起始溫度與析晶溫度溶解度之差。
　　（2）實(shí)驗(yàn)中觀察到超聲波作用的KI溶液30s后由無色變?yōu)樽厣?，加入淀粉后變?yōu)樗{(lán)色，而攪拌作用下的KI溶液顏色沒有變化。這說明超聲波作用的KI溶液有碘單質(zhì)生成，I2溶液為棕黃色，遇淀粉變藍(lán)色。
　?。?/span>3）實(shí)驗(yàn)中攪拌作用下，溶液內(nèi)部和表面有團(tuán)聚的鎳鋅2鐵氧體懸浮，600s后，溶液中懸浮體仍為團(tuán)簇狀，與攪拌前相比變化不大，團(tuán)簇狀的鐵氧體顆粒在水中仍清晰可見。超聲波作用下，溶液底部立即混濁，30s后，溶液中的懸浮體分布均勻，鎳鋅2鐵氧體顆粒與水混為一體。
　　3.2結(jié)果討論
　　由均相成核理論，晶核穩(wěn)定存在的臨界半徑新相形成的驅(qū)動(dòng)力，是形成半徑為臨界晶核半徑r3的晶核所做的功。其中v為成核分子的體積，C1為溶液的實(shí)際濃度，C2為溶液飽和濃度。
　　核化過程必須經(jīng)歷吉布斯自由能的最大值ΔGmax，稱為核化勢(shì)壘。均相成核的勢(shì)壘是：ΔGmax=163πγ3s/ΔG2v
　　分子只有越過這個(gè)勢(shì)壘，達(dá)到臨界半徑才會(huì)成核，才能自發(fā)結(jié)晶生長(zhǎng)。
　　單位體積中成核速率為：J=Dr32nexp[-ΔGmax/KT]
　　D是粒子從液相向晶胚表面遷移的擴(kuò)散系數(shù)，可由D=KT/6πηr近似計(jì)算（η是介質(zhì)的粘滯系數(shù)，r是粒子半徑）。
　　由式可知晶體成核的快慢與溶液的擴(kuò)散系數(shù)，及生長(zhǎng)所需的自由能和溫度有關(guān)。而成核的誘導(dǎo)期tind與成核速率J有如下關(guān)系tind∝J-1
　　3.2.1溶液擴(kuò)散系數(shù)對(duì)成核速率的影響
　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，超聲波作用使鎳鋅2鐵氧體可以分散到溶液的各個(gè)區(qū)域，形成均勻的懸濁液。
　　超聲波能破壞鎳鋅2鐵氧體的團(tuán)聚作用，使其在溶液中分散均勻，是因?yàn)槌暡ㄔ谝后w中傳播時(shí)產(chǎn)生空化氣泡，空化氣泡潰陷時(shí)，產(chǎn)生射流，射流壓力作用在納米級(jí)微粒上可以使團(tuán)聚的鐵氧體顆粒分開，同時(shí)超聲的高頻振動(dòng)及輻射壓力可在氣、液體中形成有效的攪動(dòng)與流動(dòng)，使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度加大，運(yùn)動(dòng)就更為激烈，達(dá)到攪拌所不能達(dá)到的效果，提高了擴(kuò)散系數(shù)。此外，擴(kuò)散系數(shù)還受溫度及粘度系數(shù)影響。超聲波作用下溶液能產(chǎn)生超臨界狀態(tài)，大大降低了溶液的粘度系數(shù)，增大擴(kuò)散系數(shù)。由式知成核速率J增大，又根據(jù)式可得溶液成核的時(shí)間即誘導(dǎo)期tind變短，與誘導(dǎo)期測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　3.2.2溫度的變化對(duì)誘導(dǎo)期的影響
　　由2可以看出相同條件超聲波作用下的甲硝唑析晶的時(shí)間明顯短于攪拌作用下的析晶時(shí)間，即超聲波作用下的誘導(dǎo)期短，這與很多報(bào)道一致。攪拌和超聲波兩者對(duì)于加速晶體的成核有著本質(zhì)的不同，攪拌是從宏觀上加速分子的運(yùn)動(dòng)，是整體的運(yùn)動(dòng)，而超聲波是從微觀上將液體介質(zhì)進(jìn)行壓縮和拉伸。相對(duì)攪拌來說，超聲空化形成了局部的高溫，高壓，形成熱點(diǎn)。在這熱點(diǎn)附近溶液成為超臨界流體，超臨界狀態(tài)下，液體的粘度系數(shù)大大降低，其表面張力也隨之降低。常溫常壓下，溫度升高甲硝唑的平衡溶解度增大，但高溫高壓下結(jié)晶仍可以進(jìn)行，這一復(fù)雜過程的機(jī)理目前尚不清楚。但晶核在高溫高壓下的溶液中能夠生成并存在說明溶液仍處于過飽和狀態(tài)，“熱點(diǎn)”分子所在溶液的平衡溶解度與外界溫度下的平衡溶解度應(yīng)相差不大，而整體液體溫度幾乎不變。由式可知成核分子體積v和相對(duì)濃度基本不變的情況下，溫度T的大，增大了新相形成所需的驅(qū)動(dòng)力ΔGv，給分子成核提供了可能性。由式可以看出ΔGv的增大，就降低了成核的自由能ΔGmax，從而使分子在獲得較小的能量下就可以越過勢(shì)壘，形成晶核?？栈瘯r(shí)液體的表面張力降低，使得成核的單位面積表面能γs也隨之降低。由式可知ΔGv的增大，γs的減小，減小了臨界半徑r3。由式知，溫度T的升高，核化勢(shì)壘ΔGmax減小，促使成核速率J增大，促進(jìn)了成核，即誘導(dǎo)期變短，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。
　　3.2.3空化作用釋放的能量對(duì)介穩(wěn)區(qū)的影響
　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，超聲波作用下的KI溶液有碘單質(zhì)析出，而攪拌作用下則不能生成碘單質(zhì)。
　　液體在超聲波負(fù)壓相區(qū)域，拉伸產(chǎn)生空化氣泡，空化泡潰陷時(shí)的溫度T急劇上升至幾千度，放出大量能量，其能量足以使KI溶液中的碘2鉀離子鍵斷裂，生成I2，與前文提到的碘量法一致。由式可知，分子聚集要吸收外界能量越過勢(shì)壘，才能成核。空化氣泡潰陷時(shí)放出的能量給它周圍局域范圍內(nèi)的分子提供了形成晶核所需的核化勢(shì)壘的能量，使得分子能夠越過勢(shì)壘，完成從分子的聚集到成核的轉(zhuǎn)變。所以相對(duì)攪拌來說，溶液在較高溫度下有能力就可以結(jié)晶，使介穩(wěn)區(qū)變窄，符合試驗(yàn)（1）的結(jié)果。
　　3.2.4實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品
　　實(shí)驗(yàn)中還觀察到在相同濃度和降溫速率下超聲波作用得到的甲硝唑晶體相對(duì)攪拌來說顆粒尺寸小而且數(shù)量多，如下（放大60倍）。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶液結(jié)晶中超聲波的引入增加了成核數(shù)量。超聲波作用可以減小分子聚集成核的臨界半徑，達(dá)到穩(wěn)定半徑（見3.2.2），這樣就有更多的分子可以越過勢(shì)壘聚集生成晶核。相對(duì)攪拌來說，超聲波作用下可以提供給分子更多能量，分子更容易的越過勢(shì)壘成核（見3.2.3），析出晶核。1中，攪拌作用下的析晶線比超聲波作用下的析晶線離平衡溶解度線遠(yuǎn)。在同一溫度，超聲波作用下能夠析晶的過飽和度要比振動(dòng)下的過飽和度低，即超聲作用下相對(duì)攪拌作用下溶液析晶多。2中，在△C為0.3g時(shí)，超聲波作用下有晶體析出，攪拌作用下不能結(jié)晶。即相同條件（濃度和溫度）下，超聲波作用下的收率要比攪拌高。
　　晶體尺寸減小的原因：第一，超聲波的作用使晶體成核時(shí)的半徑減?。ㄒ娚衔模?。第二，由于大量分子成核結(jié)晶，使得溶液的過飽和度大大降低，其繼續(xù)生長(zhǎng)所需的條件破壞。第三，超聲波空化釋放的能量比晶體生長(zhǎng)所需的能量大許多，導(dǎo)致晶體達(dá)到一定的尺寸就會(huì)破碎，形成二次結(jié)晶。所以降到相同溫度，超聲波空化作用下的晶體相對(duì)攪拌得到的晶體要細(xì)小的多。
　　4結(jié)論
　?。?/span>1）超聲波對(duì)甲硝唑溶液結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)和誘導(dǎo)期的影響主要是由于其在液體中形成的空化氣泡潰陷時(shí)形成局部高溫高壓效應(yīng)，減小了甲硝唑成核半徑，降低了其成核勢(shì)壘；（2）超聲波作用產(chǎn)生的空化氣泡潰陷時(shí)放出大量的能量，提供給了分子聚集到成核所需要的自由能，促進(jìn)甲硝唑溶液的成核；（3）超聲波作用有效地改變了甲硝唑晶體的粒度，提高了其結(jié)晶產(chǎn)率。
　　通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論公式的討論分析可以充分了解超聲波促進(jìn)成核的機(jī)理，就能將超聲波運(yùn)用于更廣闊的結(jié)晶領(lǐng)域，同時(shí)更好的指導(dǎo)我們得到理想的結(jié)晶產(chǎn)品。