3D打印微結晶器揭示微尺度液滴蒸發(fā)結晶的精確調控機理
高質量晶體的制備對制藥工程、精細化工和生物工程等領域至關重要，而晶體的質量取決于晶體的純度、形貌和顆粒群特性。目前，對于微量、高端生物系統(tǒng)的晶體制備，多采用微液滴蒸發(fā)濃縮方法。微尺度液滴內的固液兩相流動傳遞機理和晶體生長的精確調控過程研究，也成為晶體工程的前沿熱點。
近日，大連理工大學姜曉濱教授、賀高紅教授提出利用高精度3D打印技術設計制備微尺度結晶器。該結晶器表面具有微米級的點陣結構和坑道結構，是優(yōu)異的誘導成核異相界面，集成高精度液滴滴加系統(tǒng)和在線顯微觀測系統(tǒng)，精準調控了微液滴放置位置、滴加體積的同時，實現(xiàn)實時觀測和數(shù)據(jù)采集分析（圖1）。
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圖1 （1）點陣結構和（B）坑道結構建模及SEM圖片；（C）實驗系統(tǒng)
進一步，在微結晶器上研究復雜的橫跨液滴結晶過程，發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)濃縮進程中，由于液相與結晶器界面的作用力，液相界面在經(jīng)過結晶器坑道的過程中會經(jīng)歷2個接觸角驟變點，對液滴內部的流場、結晶成核能壘有顯著影響（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)為設計不同曲率的微結構，實現(xiàn)對晶體成核位置和速率分布精確調控，提供了重要理論基礎。
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圖2?（A）橫跨液滴形貌示意圖；（B）液滴不同分區(qū)形貌狀態(tài)及三相點受力情況；（C）橫跨液滴接觸角和成核能壘隨蒸發(fā)時間變化圖
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以上相關成果發(fā)表在化工領域權威期刊AICHE Journal（AIChE Journal, 2020, 10.1002/aic.16280），申請美國、歐盟發(fā)明專利各1項（US20200108330，EP3530726A1）。論文的第一作者為姜曉濱教授，通訊作者為賀高紅教授。該研究得到了國家自然科學基金（21676043, 21527812）、科技部重點領域創(chuàng)新團隊項目（2016RA4053）、大連理工大學科研創(chuàng)新團隊專題（DUT19TD33）支持。
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