走进结晶——辣个造雪花的蓝人
几乎所有的本科化工专业的学生所最熟悉的化工单元操作莫过于精馏，此外教科书还会涉及萃取、吸收以及干燥等单元操作，但几乎没有涉及结晶这一个单元操作，结晶是精细化工尤其是药物化工所涉及的最重要也是最关键的操作单元，能够将产品提高到很高的纯度，同时具有低能耗的优势，尤其对于一些热敏性的物质是绝佳的分离手段，在精细化工中结晶占据着非常重要的地位，但是在本科教学过程当中一直被忽略！结晶方面研究的很多结果其实也是不可预测的，并没有像精馏一样非常成熟的体系和物性参数数据库（结晶依赖于相图，也就是固液相平衡，这些数据并没有非常多形成体系），结晶是一门半科学半艺术的技术[1]。因此化工设计CUPB将推出“走进结晶”系列文章，来带大家了解晶体工程的相关知识和概念。
显微镜下漂亮的雪花
第一篇，让大家了解结晶其实也有非常有趣的、具有艺术性的一面，就从辣个造雪花的蓝人说起，Kenneth G.Libbrecht教授。
Kenneth G.Libbrecht教授
Kenneth是加州理工学院的物理学教授，可以说是一个把科学做成艺术的人。他研究晶体生长动力学，也就是冰晶如何从水蒸气中生长，这其实就是将大自然的雪花的形成搬到了实验室。他有自己的关于雪花晶体网站http://www.snowcrystals.com，还出版了很多关于雪花的书籍和图册。
Kenneth G.Libbrecht教授出版的书籍
大自然雪花的形状，我们感觉雪花都是六面形的（为什么雪花通常是六面而不是八面或者其他呢？这涉及到冰这种晶体的分子排列，就作为课后作业留给你们探索~），但是并不都是，显微镜下的天然雪花其实具有非常多变的形态，这就涉及到了雪花结晶过程中环境温度气压等多方面的变化。
部分天然雪花的形状[2]
因为每一片雪花在大自然形成过程中的条件不可能完全一样，因此有句话就说“世界上没有两片一模一样的雪花”（真的没有吗？文章最后Kenneth教授将展现结晶的艺术来尝试推翻这句话）。但是从大类上讲，雪花的形状还是有规律可循。日本物理学家Nakaya在20世纪30年代在实验室通过雪晶的生长发现了下图的规律。主要研究了湿度和温度。湿度也就相当于是代表空气中水蒸气的浓度，而温度则相当于调控不同过饱和度（过饱和度是晶体工程的一个很重要的概念，也就是说溶质在溶液当中进行初级成核结晶并不是当浓度恰好高于其在该温度下的溶解度就会结晶，它需要达到一个比溶解度更高的浓度，也即过饱和到一定程度，通过过饱和度这一推动力跨越一个成核能垒才能自发成核结晶）。各种雪花形状是在不同的湿度和温度下产生的，大家可以根据自己所在地方的温度和湿度猜测一下你们那下的雪可能是什么形状的。但是这只是规律而已，在大自然中为什么雪花会以这样的形态进行生长，目前依然没有人能真正解决。科学虽然一直在进步，但大自然的鬼斧神工更加神秘。
温度、湿度和雪花形态的关系[3]
既然不同的条件会产生不同的雪花形状，那么可以在实验室下自己创造大自然中没有的雪花形状吗？通过在实验室控制不同的实验条件自己创造自己想要的形状的雪花，比大自然的雪花形状更加复杂更加惊艳！
Kenneth G.Libbrecht教授设计的雪花[4]
当然只看成品可能没有特别大的冲击力，观看雪花生长的视频能够直观的感受整个雪花生长的过程，生长需要40多分钟甚至更长，这些雪晶在其生长的过程当中的操作条件其实也是人为控制持续变化的，这样才能创造出更加复杂的晶体。
下面是设计雪花的实验设备，看Kenneth教授的语气，原来加州理工学院的教授也很缺研究经费啊哈哈哈哈哈。
Making designer snowflakes is a ratherinvolved process, alas, and expensive also. I use a recirculating chiller($5k), several temperature contollers ($2k each), and a lot of hardwaredesigned and fabricated just for this.（制造设计雪花是一个相当复杂的过程，唉，也很昂贵。我使用了循环冷却器（5千美元），几个温度控制器（每个2千美元），以及为此设计和制造的许多硬件。）[4]
既然雪花的生长可以控制，那么为何不可创造出两片一模一样的雪花呢？这个造雪花的蓝人让这成为了现实。
不仅可以长双胞胎，还可以长四胞胎！
四个一模一样的雪晶[4]
当然，虽然不能说100%一样，但可以认为是一模一样的吧，以后别人要是说“世界上没有两片一模一样的雪花”，你就可以say“NoNo！”，然后甩出上面这张图片。当然你要是一直钻牛角尖揪着不放，我就会觉得你丫就是欠揍~
结晶过程研究的东西多种多样，Kenneth教授将一个普普通通的雪花形成的结晶过程，升级为一种艺术。结晶这一单元操作研究的方向其实有很多，接下来的系列文章将会更加详细地（其实也没多详细）将结晶这一单元操作的基础知识和研究方向给大家讲解。学识有限，如有错误还请同行批评指正！
[1] Hollingsworth M D. Crystal engineering: fromstructure to function [J]. Science, 2002, 295(5564):2410-2413.
[2] Libbrecht K G. The formation of snow crystals - Subtle molecularprocesses govern the growth of a remarkable variety of elaborate ice structures[J]. American Scientist, 2007, 95(1):52-59.
[3] Libbrecht K G. The physics of snow crystals [J]. Reports onProgress in Physics, 2005, 68(4):855-895.
[4] Libbrecht K G. 雪花晶体[DB/OL]. http://www.snowcrystals.com/,2019-09-09.
觉得内容还不错的话，给我点个“在看”呗
能设置个“星标”更好啦
_:(´°ω°`」 ∠):_