التشبع الفائق وتطور البلورة

تعريف التشبع الفائق

القوة الدافعة

يكتسب العلماء التحكم في عمليات التبلور عن طريق التحكم بعناية في مستوى التشبع الفائق السائد أثناء العملية. عندما يتم تبريد محلول مشبع، يدخل النظام منطقة شبه مستقرة حيث يصبح المحلول فائق التشبع، وبعبارة أخرى، يوجد المزيد من المذاب في المحلول بطريقة تنبؤ منحنى الذوبانية. مع استمرار التبريد، يتم الوصول إلى درجة حرارة معينة يحدث عندها التنوي البلوري، وهي حد شبه الاستقرار.

وبمجرد الوصول إلى حد شبه الاستقرار وبدء التبلور، يتم استهلاك التشبع الفائق، وفي نهاية المطاف يصل تركيز المرحلة السائلة إلى التوازن على منحنى الذوبانية.

لماذا يعد التشبع الفائق مهمًا؟

نظرًا لأن التشبع الفائق هو القوة الدافعة للتنوي والنمو البلوريين، كما أنه يفرض في نهاية المطاف التوزيع النهائي للحجم البلوري، فمن المهم للغاية فهم المقصود بمفهوم التشبع الفائق.

التنوي هو ميلاد الأنوية البلورية الجديدة - إما بطريقة عفوية من المحلول (التنوي الأولي) أو في وجود بلورات موجودة (التنوي الثانوي). النمو البلوري هو زيادة في حجم (أو على نحو أكثر دقة "الطول التمييزي") البلورات عند ترسب المذاب من المحلول. يتم تعريف العلاقة بين التشبع الفائق والتنوي والنمو من خلال مجموعة معروفة من المعادلات (المبسطة إلى حد ما) المعروفة والتي أوضحها Nyvlt للمرة الأولى (Journal of Crystal Growth (مجلة النمو البلوري)، المجلدات 3-4، 1968، الصفحات 377-383)

التنوي والنمو البلوريان

في أنظمة البلورة العضوية، تكون قيمة ترتيب النمو (g) عادة بين 1 و2، وقيمة ترتيب التنوي (b) عادة بين 5 و10. عند طرح هذه المعادلات لعملية تبلور عضوية نظرية، تتضح أهمية التشبع الفائق. عند التشبع الفائق المنخفض، يمكن أن تنمو البلورات بشكل أسرع من التنوي، مما يؤدي إلى توزيع أكبر للحجم البلوري. ولكن عند التشبع الفائق المرتفع، يسيطر التنوي البلوري على النمو البلوري، مما يؤدي في النهاية إلى الحصول على بلورات أصغر. في الشكل الموضح على الجانب الأيمن، يوضح ربط التشبع الفائق بالتنوي، والنمو، والحجم البلوري مدى الأهمية البالغة للتحكم في التشبع الفائق عندما يتعلق الأمر بإنشاء بلورات بالحجم والتوزيع المطلوبين.

تسمح بعض التقنيات الحديثة مثل ReactIR، المبينة هنا من قبل Barett et al (Chemical Engineering Research and Design (أبحاث الهندسة الكيميائية والتصميم)، المجلد 88، العدد 8، أغسطس 2010، الصفحات 1108-1119) بتطور آثار الذوبان بسرعة وسهولة، ومراقبة مستوى التشبع الفائق السائد بشكل مستمر طوال تجربة البلورة. تؤدي معدلات التبريد الأكثر سرعة إلى حدوث التنوي في درجات حرارة منخفضة وأعلى مستوى من التشبع الفائق في جميع مراحل العملية. يؤدي التبريد البطيء للغاية إلى ارتفاع درجة حرارة التنوي وانخفاض التشبع الفائق في جميع مراحل العملية. ساعة واحدة من التبريد التكعيبي (معدل بطيء في البداية وسريع في النهاية) لديها مستوى متوسط من إنتاجية التشبع الفائق. ويمكن ملاحظة تأثير تباين التشبع الفائق على توزيع الحجم والشكل البلوريين بوضوح من خلال مقارنة صور ParticleView (الفحص المجهري المستند إلى مسبار بشكل فوري) لكل تجربة. يؤدي التشبع الفائق المرتفع إلى الحصول على أصغر مستوى من البلورات - لأنه سيتم تفضيل التنوي على النمو.

دراسات حالة عن المراقبة والتحكم

باستخدام البيانات التجريبية، تم إنجاز الكثير في مراقبة التشبع الفائق وتقدير حركية التبلور. وقد تم توسيع هذا النهج للسماح بالتحكم القائم على نموذج في عمليات البلورة.

تقنيات للمراقبة والتحسين والتحكم

توفر عمليات وحدة التبلور فرصة فريدة لاستهداف التوزيع الحجمي والشكلي للبلورة المحسنة والتحكم فيه. ويمكن أن يؤدي القيام بذلك إلى التقليل بشكل كبير من مرات الترشيح والتجفيف، وتجنب مشكلات التخزين والنقل والعمر الافتراضي، وضمان الحصول على عملية متسقة وقابلة للتكرار بتكلفة أقل.

كيفية مراقبة التشبع الفائق والتحكم به

يصف هذا الملصق استخدام طريقة خالية من المعايرة حيث يتم التحكم في درجة الحرارة أثناء تبلور التبريد تلقائيًا في مذيب الماء/IPA من أجل الحفاظ على مستوى ثابت من التشبع الفائق.