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显微摄影下的晶体生长——《黑与白》 上面的视频对比了置换反应中银（白色）和铅（黑色）两种金属截然不同的生长模式（注：拍摄放大倍率为2-8倍，视频播放速度为实际反应速度的10-100倍）。在欣赏如此神奇、美妙的化学微观现象的同时，开启了我们今天的主题——晶体生长。 一、背景 我国晶体生长有着悠久的历史，早在春秋战国甚至更早的时期，就有煮海为盐、炼制丹药等晶体生长的时间活动。虽然早期的萌芽状态的人工晶体生长出现很早，但是现代人工晶体生长的起步却较晚。进入二十世纪后，人工晶体生长才有飞跃式的发展，不仅体现在人工晶体生长理论、人工晶体生长技术上，而且，发现了一大批极有价值的新晶体，为科学进步和人类生活水平提高做出了巨大贡献。
图1. 五颜六色的人造锆石晶体 二、定义 物质在一定温度、压力、浓度、介质、pH等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸晶体的过程称为晶体生长（Crystal Growth）。 三、各种因素对晶体生长过程的影响 1、温度 在不同的温度下，同种物质的晶体，其不同晶面的相对生长速度有所改变，影响晶体形态，如方解石在较高温下生成时呈扁平状，而在地表水溶液中形成的则往往是细长的。石英和锡石矿物晶体亦有类似的情况。
图2. 温度对雪花晶体生长过饱和度的影响 2、降温速率 降温速率可以极大地影响结晶的形状，简单来说，如果降温速率很快，结晶体倾向于形成更多更长的分支，就像雪花一样，而降温很慢时，则倾向于针状晶体长有一些簇状分支。
图3. 随着降温速率增大，天气瓶中的晶体生长为不同晶型。a：t时间由30℃到20℃； b：t时间由40℃到20℃；c：a图对应的三维图；d：b图对应的三维图。 3、压力 压力的不同对部分晶体的生长有着重要的影响，能够很大程度上改变晶型。
图4. 压力(P)增大对羟基磷灰石（HAP）晶体生长的影响。a: P=0.11MPa；b: P= 0.5MPa；c: P=0.9MPa；d：P=1.1MPa。 4、成核速率 晶核形成速率是单位时间内单位体积的晶浆或溶液中生成新粒子的数目，成核速率是决定晶体产品粒度分布的首要动力学因素。结晶过程要求有一定的成核速率，但如果成核速率超过需要的限度，必然导致晶体产品细碎，粒度分布范围宽，产品质量低劣。
图5.CoPt3纳米晶体的大小与成核速率的关系 四、晶体生长方法 1、常温溶液法 常温溶液法是将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。
图6. a:水溶液法晶体生长装置示意图；b: 水溶液法制得的CuSO4晶体。 2、高温溶液法 高温溶液法是生长晶体的一种重要方法，也是最早的炼丹术所采用的手段之一。高温下从溶液或者熔融盐溶剂中生长晶体，可以使溶质相在远低于其熔点的温度下进行生长。 图7.a:高温溶液法晶体生长装置示意图；b:高温溶液法制得的KTP晶体。 3、缓冷法 缓冷法是在高温下，在晶体材料全部熔融于助熔剂中之后，缓慢地降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。此法所使用的设备简单，价廉， 因而应用最为广泛。
图8. a:缓冷法晶体生长装置示意图；b: 缓冷法制得的橄榄石晶体。 4、水热法 水热法又称高压溶液法，是利用高温高压的水溶液使在大气条件下不溶或难溶于水的物质通过溶解或反应生成该物质的溶解产物，并达到一定的过饱和度而进行结晶和生长的方法。
图9. a: 水热法晶体生长装置示意图；b: 水热法制得的CaSO4晶体。 由于晶体可以从气相、液相和固相中生长，而不同的晶体材料又有不同的生长条件，加上应用对晶体的要求有时十分苛刻，这样就造成了晶体生长方法的多样性以及生长设备和技术的复杂性：从高真空到超高压，从低温到等离子体高温，从精密检测生长参数到微机自动监控生长过程，从高纯原料到超净环境……晶体生长技术几乎利用了现代实验技术中一切重要手段，并长出了大量支撑现代科学技术发展的高品质晶体。 ———————— 本文作者：李静、房彬彬、陈奎、栾亚南、卢海娇等（皆为结晶中心研究生） |
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