
【化】 crystal engineering
crystal; crystalloid
【化】 crystal
【医】 Crys.; crystal
engineering
【机】 engineering
晶体工程学(Crystal Engineering)是一门通过分子设计与有序组装实现功能性晶体材料定向合成的交叉学科。其核心目标是通过调控分子间弱相互作用(如氢键、π-π堆积、范德华力等),精确控制分子在三维空间中的排列方式,从而获得具有特定物理化学性质的材料。
根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)定义,该学科包含三大要素:①分子构件的理性设计;②超分子作用力的系统调控;③晶体结构的可预测性构建(来源:IUPAC Technical Reports)。剑桥大学材料科学系的研究表明,该技术在药物多晶型控制、光电材料开发等领域展现关键价值,如通过调控API(活性药物成分)的结晶行为改善生物利用度。
美国化学会《晶体生长与设计》期刊指出,现代晶体工程学已发展出共晶工程、金属有机框架(MOFs)构建等前沿技术。其中MOFs材料凭借其超高比表面积(可达7000 m²/g)和可调节孔径,在气体储存领域实现突破性应用,公式表达为:
$$
S_{BET} = frac{NA cdot σ}{M} cdot V{ads}
$$
(来源:ACS Crystal Growth & Design 2023年度综述)
中国晶体学会专家委员会强调,该学科深度融合量子化学计算、X射线衍射分析和机器学习预测,形成「计算-实验-验证」的闭环研发体系(来源:中科院《材料科学与工程》白皮书)。当前研究热点包括手性晶体构筑、刺激响应型智能材料开发等方向。
晶体工程学是材料科学与分子工程学的交叉学科,主要研究通过分子或化学基团的相互作用设计晶体结构,并控制其物理化学性质以实现特定功能。以下是详细解析:
核心定义
晶体工程学以分子间相互作用为基础,通过调控晶体中分子排列方式,设计具有目标性能的固体材料。它属于分子工程学的重要分支,旨在实现从分子到材料的转化路径。
学科发展
该概念最早由斯密特(Schmidt)在20世纪70年代提出,后经Desiraju拓展为涵盖有机/无机自组装系统的研究领域。
核心研究方向
关键技术手段
主要依赖X射线衍射、电子显微镜等表征技术,结合计算机模拟实现结构解析与性能优化。
新材料开发
通过引入缺陷或杂质调控材料性能,例如高强度合金、耐高温陶瓷。
电子器件制造
半导体和晶体管性能高度依赖晶体结构,该学科为器件优化提供理论支持。
化学与医药领域
应用于药物多晶型筛选、催化材料设计等场景。
作为连接微观分子与宏观材料的桥梁,晶体工程学突破了传统试错法局限,为功能材料的定向合成提供了理论框架。当前研究热点包括金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)等新型晶体材料体系。
注:如需更深入的技术细节或案例,可参考材料科学领域专著或权威期刊文献。
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