分子动力学模拟对晶型晶习调控的研究

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分子模拟是一门基于大量数值与理论运算以及基本的物理化学理论的技术,在晶体学领域中,晶面生长或溶解过程的机理研究是至关重要的,这就需要从分子层面探究溶质、溶剂以及添加剂分子三者之间的关系,而分子动力学模拟正是研究分子层面作用力的有效手段。因此,本文以分子动力学为研究手段,探究了不同溶剂作用下盐酸硫胺的晶习、添加剂分子对DL-蛋氨酸各晶面的作用以及不同溶剂体系中安息香的溶解性能,旨在通过分子模拟预测实验结果,指导工业生产,提高产品性能与效益。晶习往往会影响产品的粒度和流动性,晶习预测可以有效的指导溶剂的选择和结晶工艺的设计。本文以盐酸硫铵的晶习预测为出发点,针对盐酸硫胺产品晶习易破碎、流动性差的问题,采用分子模拟进行建模,构建了盐酸硫胺晶体生长的溶剂化界面模型,研究了溶剂与5个重要晶面的作用,使用AE模型分别预测了盐酸硫胺在甲醇纯溶剂与甲醇/乙酸乙酯混合溶剂中的晶习,与重结晶实验结果完全相符,且晶习由片状优化为块状,晶习得到改善,提高了堆密度与流动性。除了晶习以外,晶型也会直接影响晶体产品的质量和性能,所以通过分子动力学预测添加剂对晶型影响从而实现晶型的调控是非常有意义的。本文针对DL-蛋氨酸介稳晶型难制备的问题,分别验证了DL-亮氨酸添加剂分子嵌入晶格与吸附在表面的可能性。结果表明添加剂分子比溶质分子更容易吸附在某些晶面上,导致蛋氨酸晶体生长受阻,且添加剂与稳定晶型表面间的相互作用高于介稳晶型,表明通过添加剂可以调控得到介稳晶型。最终通过实验证实添加剂确实能抑制稳定晶型的结晶从而实现介稳晶型产品的稳定制备。溶剂是影响晶型和晶习的关键因素,溶剂不仅会影响溶质的组装过程同样也会影响溶质的溶解过程,针对目前溶质-溶剂分子间相互作用力在溶解性能中起到的作用还不是很清晰的问题,本文借助分子模拟通过密度泛函数、溶剂化自由能以及径向分布函数计算了溶质与溶剂分子间的相互作用力。结果表明,随着反溶剂的浓度不断增大,反溶剂分子阻碍安息香分子与丙酮分子的相互作用,导致作用力减小,溶解度降低,揭示了安息香在混合溶剂中的溶解度变化是由安息香分子与两种溶剂分子作用力变化引起的。
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