利用低功率超声场研究结晶成核的基本物理（宏观晶体生长之前在液相或溶液相中形成晶核和“胚”）的好奇驱动研究为结晶过程控制的新的、具有工业意义的方法开辟了一条道路。

虽然现在还为时尚早利兹大学英国，相信他们的实验和理论见解将最终转化为下游工艺设备创新。最终游戏：在食品制造、制药、农药、聚合物挤压和个人护理产品等多种行业中，实现低能耗材料生产模式以及加强质量控制的大规模商业机会。

所谓“内化”的专家计划由梅根·波维，利兹大学食品物理学教授，在超声波光谱在食品表征和食品制造中的超声波处理方面的应用方面建立了国际声誉。更广泛地说，她的团队的重点是食品的计算机和数学建模；用于更安全食品的商用传感器和仪器；以及可持续生产的新工艺技术。所有这些都建立在对材料特性、结构和行为的坚实基础上。

打开食物的基本包装

波维的最新科学研究与这些核心研究主题相符。一方面，她的团队正在开发基于热量和质量传输校正的颗粒数学物理模型，以了解低功率超声波如何影响广泛的成核系统的行为。波维解释道：“我在食品物理方面所做的每一件事，都需要一个理论基础——一个模型——然后再转到实验方面。”。“毕竟，经验主义者需要的不仅仅是经验主义。他们需要的是物理模型，可以用真实世界的实验数据进行迭代和优化。”

在平行坐标系下，波维和同事们正在探索一条依赖低功率超声波来控制晶体成核的实验路线——实际上，溶液或液体的内固化不会引起空化（即形成小的充满蒸汽的气泡或空隙，这些气泡或空隙会在流体介质中崩塌并产生冲击波）。在这种情况下，低功率由0.08或更低的机械指数（MI）定义，这是超声波压力脉冲最大振幅的测量值（足够低，以最小化空化的可能性）。

波维指出：“通过根据结晶材料的性质控制超声波频率、功率和持续时间，我们已经证明可以促进或抑制晶体形成。”。“同样，我们看到的控制水平更为精细，并延伸到成核和结晶速率，以及涌现网络中晶体的数量、大小、几何形状[习性]和形态。”

她认为，行业的好处可能是改变游戏规则。“想想在整个超声体积中更快的成核和均匀的成核，以及生成更小、更纯净和更均匀的晶体。”一个恰当的例子是药物“活性物质”的生产，其中，控制多晶型（一种存在于不同晶体结构中的单一化学物质，可能改变其化学和物理性质）通常至关重要。她补充道：“沙利度胺事件的可怕例子突显了生产错误多晶型所固有的危险。”。

钻石点燃晶体成核

如果这是背景故事，那么实验细节又是什么呢？这方面的前沿和中心是钻石光源，英国国家同步加速器研究设施（位于哈维尔科技创新园区牛津郡）。具有全球意义的是，戴蒙德是大型X射线源的精英骨干之一，它在原子和分子水平上揭示了从清洁能源技术到制药和医疗保健等所有基础和应用学科的物质结构和行为；从食品科学到结构生物学和文化遗产。

在过去的十年里，波维和她的团队一直是钻石餐厅的常客I22光束线自2007年投入运营以来，该公司一直在主持一个专门的软物质和聚合物研究项目，以及生物材料和环境科学活动。例如，在I22，利兹团队能够在一个多用途仪器上进行X射线衍射（XRD）研究，该仪器结合了小角度和广角X射线散射（SAXS/WAXS）模式。光束线还包括一个多功能的采样平台，以支持歌剧中实验——例如，在从毫秒到分钟的时间尺度上，跟踪溶液和熔体的结构演变。

就核心规格而言，I22插入装置向样品提供能量在7至22 keV之间的X射线（主光束线的光束尺寸为240×60微米）。波维解释说：“同时记录SAXS和WAXS数据意味着我们可以以高分辨率探测所有长度尺度——从几埃到几百纳米的中尺度[和数十亿分子]。”。“通过在I22光束线上使用一个特殊设计的声光电池，我们积累了两阶段晶体成核的实验证据，以及非空化超声波对成核过程中每个步骤的影响。”

一个恰当的例子是一系列XRD研究在存在或不存在内照射超声场的情况下，跟踪有机溶剂中蜡（二十烷）的结晶。目的：研究内吞对二十烷分子长程有序性（通过SAXS）和纳米级分子堆积（使用WAXS）的影响。通过这种方式，波维和他的同事们已经能够识别出由于静止流体中不存在的内吞作用而产生的中尺度效应。SAXS/WAXS研究还使利兹团队能够表征并动态跟踪晶体成核步骤之前的状态大小（在初始晶胚转变为非受控晶体生长之前）。

“例如，我们将从溶液中浮出的蜡开始，然后以每秒5-6帧的速度进行处理，”波维解释道。他们首先看到的是，在超声波的影响下，液体中出现了长程有序。然后，在日益饱和的溶液中，这种长程有序转变为所谓“死区”中的相分离，死区是晶胚形成之前的第一阶段形核。“在所有阶段，”她补充道，“低功率超声波都可以改变分子顺序，我们可以看到这些效果就像I22上的实时电影一样展现出来。”

我们认为，我们的内化技术可以改写注射成型的规则——减少浪费，降低成本，增加多功能性，以利于可持续发展

梅根·波维

作为对I22 SAXS/WAXS实验的补充，波维和研究生费胜也使用了脉冲回波超声技术（脉冲宽度约为5μs）定量监测晶体胚在过饱和溶液中的行为（即含有超过在给定温度下能够溶解的最大溶质量）。利用超声波探测声光电池中的硫酸铜水样，他们能够测量与晶体胚相关的固体物质的产生和随后的消失。

正是这种监测和控制死区中出现的晶核的能力——在死区中，在没有声音控制的情况下，结晶就像赌场一样——有可能改变广泛的工业过程。已经在与行业合作伙伴讨论的一个近期商业机会是通过注塑成型成型塑料零件——传统上，这是一个耗能巨大且有时会碰运气的过程。“我们认为我们的内插技术可以改写注射成型的规则——减少浪费，降低成本，增加多功能性，以利于可持续性，”波维声称。

走出实验室，进入工厂

与此同时，所应用的研发工作正在解决技术转化的其他方面——尤其是波维的声波化和晶体成核理论框架与耗散粒子动力学（DPD）的集成计算模型（一种介观模拟技术，适用于各种复杂的流体动力学现象）。这里的动机是开发一种预测方法，该方法能够模拟低功率超声场对各种成核系统的影响，并且可以可靠、重复地控制晶体形成。

DPD前部的活动由Lewtas科学与技术英国高级材料咨询公司，与哈特里国家数字创新中心这是一家支持先进计算和软件技术转让和商业化的英国机构。

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你吃什么就吃什么

值得注意的是，波维和领导这家同名咨询公司的聚合物科学家肯·卢塔斯（Ken Lewtas）也提交了一份国际专利保护在一系列工业环境中使用内化技术的知识产权，包括（但不限于）巧克力的回火（缓慢加热然后冷却巧克力的过程，使脂肪分子结晶为巧克力，具有理想的光泽、紧致和冷却特性）；热塑性聚合物的结晶（用于控制机械、光学或阻隔性能）；甚至柴油和加热油的上蜡（这可能会影响低温下的燃油流动）。

“我们希望，”波维总结道，“行业合作伙伴能够尽早常规应用我们的内吞技术和低功率超声波，以促进或抑制不同生产过程中的结晶。”

进一步阅读

M J波维等。2023“探测”晶核——数学物理和实验研究 化学杂志。物理学。 158174501