1超聲結晶是研究在超聲場作用下晶體結晶條件，產品的改變及優化。超聲波是一種機械波，在傳播過程中質點振動加速度非常大。在液體中傳播時，由于渦流或超聲波的物理作用，會在某一局域內形成局部的暫時負壓相，當強度達到某一定值時，可能會在介質中產生空化氣泡，稱為“空穴”。隨著聲場的變化，這些空化氣泡潰陷或消失，稱為空化現象?？栈F象發生時會在氣泡周圍產生高溫和高壓，并放出大量的能量。空化現象已經得到了很多驗證，如碘量法等。
　　超聲波在液體介質中的傳播，由于“振動”和“空化”作用，會對結晶的誘導期，介穩區和成核粒度造成影響。這些研究在國內外已有不少報道，但在結晶中的應用大多處于工藝性研究，而其機理方面的研究還不是很多。本文通過對超聲波在甲硝唑溶液的降溫冷卻結晶中的實驗研究，從熱力學的角度分析了超聲波對成核及誘導期，介穩區的影響，并闡述了自己的觀點。
　　2實驗
　　2.1實驗原理
　　在溶液結晶中，飽和溶解狀態分為亞穩區和不穩區，溶液只有到了不穩區才能自發成核。而不穩區邊界的位置與外加能量有關。利用物理方法可以測量溶液初級微晶析出的溫度―――析晶溫度。介穩區就是平衡溶解度曲線和析晶線間的區域。而從時間上看，溶液進入不穩區，固2液相變并不是立即發生。由母相生成新相這一轉變期，稱之為誘導期。
　　2.2實驗藥品與儀器
　　超聲波發生器是雷士超聲生產的頻率固定為40kHz（加熱溫度為室溫～90℃、功率200W可調）的數控超聲波清洗器。

　　實驗藥品甲硝唑（C6H9N3O3）為白色或微黃色結晶粉末。有微臭，味苦而略咸。質量標準：符合英國藥典1998版標準或中國藥典2000版標準。用途：本品為抗阿米巴藥、抗滴蟲藥、抗厭氧菌藥。
　　2.3實驗方法
　　介穩區的測量：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區。
　　誘導期的測量：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）并記時至析出晶體。測得的時間即為誘導期。
　　碘量法驗證空化現象：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，觀察現象。配置同樣溶液，攪拌器攪拌（300r/min），觀察現象。
　　擴散現象的觀察：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，常態下以團聚狀態存在，不均勻地分布在容器底部，團聚的鎳鋅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）觀察現象并計時。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，觀察現象并計時，可重復實驗。
　　3實驗結果與討論
　　3.1實驗結果
　?。?/span>1）1，2分別給出了在攪拌和超聲下甲硝唑溶液結晶的介穩區和誘導期。
　　1中，縱坐標為30ml溶液中溶質的質量，橫坐標為溶液溫度；中，縱坐標為溶液析晶時間，橫坐標（△C）為溶液在起始溫度與析晶溫度溶解度之差。
　?。?/span>2）實驗中觀察到超聲波作用的KI溶液30s后由無色變為棕色，加入淀粉后變為藍色，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溶液有碘單質生成，I2溶液為棕黃色，遇淀粉變藍色。
　?。?/span>3）實驗中攪拌作用下，溶液內部和表面有團聚的鎳鋅2鐵氧體懸浮，600s后，溶液中懸浮體仍為團簇狀，與攪拌前相比變化不大，團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結果討論
　　由均相成核理論，晶核穩定存在的臨界半徑新相形成的驅動力，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為溶液的實際濃度，C2為溶液飽和濃度。
　　核化過程必須經歷吉布斯自由能的最大值ΔGmax，稱為核化勢壘。均相成核的勢壘是：ΔGmax=163πγ3s/ΔG2v
　　分子只有越過這個勢壘，達到臨界半徑才會成核，才能自發結晶生長。
　　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散系數，可由D=KT/6πηr近似計算（η是介質的粘滯系數，r是粒子半徑）。
　　由式可知晶體成核的快慢與溶液的擴散系數，及生長所需的自由能和溫度有關。而成核的誘導期tind與成核速率J有如下關系tind∝J-1
　　3.2.1溶液擴散系數對成核速率的影響
　　由實驗結果可以看出，超聲波作用使鎳鋅2鐵氧體可以分散到溶液的各個區域，形成均勻的懸濁液。
　　超聲波能破壞鎳鋅2鐵氧體的團聚作用，使其在溶液中分散均勻，是因為超聲波在液體中傳播時產生空化氣泡，空化氣泡潰陷時，產生射流，射流壓力作用在納米級微粒上可以使團聚的鐵氧體顆粒分開，同時超聲的高頻振動及輻射壓力可在氣、液體中形成有效的攪動與流動，使質點振動速度、加速度加大，運動就更為激烈，達到攪拌所不能達到的效果，提高了擴散系數。此外，擴散系數還受溫度及粘度系數影響。超聲波作用下溶液能產生超臨界狀態，大大降低了溶液的粘度系數，增大擴散系數。由式知成核速率J增大，又根據式可得溶液成核的時間即誘導期tind變短，與誘導期測量的實驗結果相一致。
　　3.2.2溫度的變化對誘導期的影響
　　由2可以看出相同條件超聲波作用下的甲硝唑析晶的時間明顯短于攪拌作用下的析晶時間，即超聲波作用下的誘導期短，這與很多報道一致。攪拌和超聲波兩者對于加速晶體的成核有著本質的不同，攪拌是從宏觀上加速分子的運動，是整體的運動，而超聲波是從微觀上將液體介質進行壓縮和拉伸。相對攪拌來說，超聲空化形成了局部的高溫，高壓，形成熱點。在這熱點附近溶液成為超臨界流體，超臨界狀態下，液體的粘度系數大大降低，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，但高溫高壓下結晶仍可以進行，這一復雜過程的機理目前尚不清楚。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，“熱點”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動力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壘，形成晶核?？栈瘯r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，核化勢壘ΔGmax減小，促使成核速率J增大，促進了成核，即誘導期變短，與實驗結果相同。
　　3.2.3空化作用釋放的能量對介穩區的影響
　　從實驗結果可以看出，超聲波作用下的KI溶液有碘單質析出，而攪拌作用下則不能生成碘單質。
　　液體在超聲波負壓相區域，拉伸產生空化氣泡，空化泡潰陷時的溫度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壘，才能成核?？栈瘹馀轁⑾輹r放出的能量給它周圍局域范圍內的分子提供了形成晶核所需的核化勢壘的能量，使得分子能夠越過勢壘，完成從分子的聚集到成核的轉變。所以相對攪拌來說，溶液在較高溫度下有能力就可以結晶，使介穩區變窄，符合試驗（1）的結果。
　　3.2.4實驗產品
　　實驗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攪拌來說顆粒尺寸小而且數量多，如下（放大60倍）。
　　實驗結果表明溶液結晶中超聲波的引入增加了成核數量。超聲波作用可以減小分子聚集成核的臨界半徑，達到穩定半徑（見3.2.2），這樣就有更多的分子可以越過勢壘聚集生成晶核。相對攪拌來說，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。在同一溫度，超聲波作用下能夠析晶的過飽和度要比振動下的過飽和度低，即超聲作用下相對攪拌作用下溶液析晶多。2中，在△C為0.3g時，超聲波作用下有晶體析出，攪拌作用下不能結晶。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的半徑減?。ㄒ娚衔模５诙?，由于大量分子成核結晶，使得溶液的過飽和度大大降低，其繼續生長所需的條件破壞。第三，超聲波空化釋放的能量比晶體生長所需的能量大許多，導致晶體達到一定的尺寸就會破碎，形成二次結晶。所以降到相同溫度，超聲波空化作用下的晶體相對攪拌得到的晶體要細小的多。
　　4結論
　?。?/span>1）超聲波對甲硝唑溶液結晶介穩區和誘導期的影響主要是由于其在液體中形成的空化氣泡潰陷時形成局部高溫高壓效應，減小了甲硝唑成核半徑，降低了其成核勢壘；（2）超聲波作用產生的空化氣泡潰陷時放出大量的能量，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，提高了其結晶產率。
　　通過對實驗結果和理論公式的討論分析可以充分了解超聲波促進成核的機理，就能將超聲波運用于更廣闊的結晶領域，同時更好的指導我們得到理想的結晶產品。