成核机理

成核现象在自然和工业过程中无处不在，从自然过程中冰与雪晶体的形成，到人体内骨骼和牙齿的矿化结晶，乃至各种精细化工产品（如医药，农药，食品，染料等）生产制造过程。溶液成核决定了产品的晶型，晶体形态，纯度，粒度及粒度分布（Crystal Size Distribution, CSD）等重要的产品性能，因而，通过成核机理理解达到对成核过程和产品关键质量属性（Critical Quality Attributes, CQA）的调控具有重要的理论与实践应用价值。

尽管晶体的成核理论研究最早可追溯到一个世纪以前，但直到目前为止，晶体的成核机理仍不清晰。当前提出的溶液成核机理，可分为经典成核理论（CNT）和非经典成核机理（主要包括两步成核机理和成核前团簇机理）两大类。成核机理的主要研究热点方向之一为成核过程的分子组装路径机制研究。利用多晶型晶体的多重晶体结构特性，探讨溶液成核过程的结构演变规律，推断晶体成核的普遍机理。在过去的几年内，包括我们课题组在内的许多研究结果均表明，晶体成核的分子组装路径可能是多重的，分子团簇的性质决定了成核路径的选择。

晶体成核多重分子组装路径（路径I, II, III和IV）示意图

生长机理

晶体生长作为结晶过程中的最重要过程之一，决定着晶体形态、粒度、堆密度以及纯度等。晶体生长机理本质上就是理解晶体内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态之间的关系。通过对生长机理的研究有助于通过有效手段调控晶体形态，放大结晶过程。

晶体生长理论主要分为经典生长以及非经典生长。经典结晶理论包括晶体成核理论及在不同界面状态下的晶体生长机制，如层生长理论、螺型位错生长机制及以刃型位错、层错作为台阶源的其他位错生长机制等。同时，奥斯特瓦德熟化过程为溶液中纳米颗粒的去向提供了除生长之外的另一种解释，即小于临界尺寸的颗粒将发生溶解，溶解态的离子或分子供大于临界尺寸的颗粒继续生长。非经典结晶理论，包括有前聚体参与的结晶过程、取向附聚生长机制、介晶形成机制及球晶生长机制等，则为一些复杂晶体生长过程提供了一定合理的依据。例如，在低于经典模型所预测的浓度下无定形相的形成；不规则枝状晶体的形成；生命体中生物矿物精美的微结构的出现；地质记录中大量具有反常矿物学及解理学特征的矿物沉积物等。

本课题组致力于发展实验观测技术, 实现晶体生长过程可视化，建立包含外部条件的理论模型，从微观层次上描述晶体结构、环境相及生长条件对生长形态的影响，实现晶体生长的宏观可控。

分子模拟溶液环境晶体生长过程

晶体工程

晶体工程：根据分子间相互作用的规律进行分子组装设计得到目标理化性质的固体。 “晶体工程”是由R. Pepinsky于1955年首次提出，晶体工程发展至今已有60多年的历史，主要是将化学和晶体学相结合，利用分子特性和组装规律研究构效关系。为了得到不同理化性质的APIs，根据合成子的概念与分子组装模式，可以设计成无定型、多晶型、盐、溶剂化合物、共晶、MOF、COF等形式。

在新药研发或者仿制药制备过程中，为了避免不必要的损失和纠纷，多晶型、盐、溶剂化合物、共晶等筛选是必不可少的一个环节，可以从中筛选出优势晶型或者盐型。本课题组一直致力于如何快速筛选出新的多晶型、盐、溶剂化合物或者共晶；制备无定型及介稳晶型；设计可应用的MOF和COF材料；通过成核生长和相转化机理研究来调控得到目标理化性质的多晶型、盐、溶剂化合物、共晶MOF、COF等产品。

多组分晶体设计和开发