幾乎所有的本科化工專業的學生所最熟悉的化工單元操作莫過於精餾，此外教科書還會涉及萃取、吸收以及乾燥等單元操作，但幾乎沒有涉及結晶這一個單元操作，結晶是精細化工尤其是藥物化工所涉及的最重要也是最關鍵的操作單元，能夠將產品提高到很高的純度，同時具有低能耗的優勢，尤其對於一些熱敏性的物質是絕佳的分離手段，在精細化工中結晶佔據著非常重要的地位，但是在本科教學過程當中一直被忽略！結晶方面研究的很多結果其實也是不可預測的，並沒有像精餾一樣非常成熟的體系和物性參數資料庫（結晶依賴於相圖，也就是固液相平衡，這些數據並沒有非常多形成體系），結晶是一門半科學半藝術的技術[1]。因此化工設計CUPB將推出「走進結晶」系列文章，來帶大家了解晶體工程的相關知識和概念。
顯微鏡下漂亮的雪花
第一篇，讓大家了解結晶其實也有非常有趣的、具有藝術性的一面，就從辣個造雪花的藍人說起，Kenneth G.Libbrecht教授。
Kenneth G.Libbrecht教授
Kenneth是加州理工學院的物理學教授，可以說是一個把科學做成藝術的人。他研究晶體生長動力學，也就是冰晶如何從水蒸氣中生長，這其實就是將大自然的雪花的形成搬到了實驗室。他有自己的關於雪花晶體網站http://www.snowcrystals.com，還出版了很多關於雪花的書籍和圖冊。
Kenneth G.Libbrecht教授出版的書籍
大自然雪花的形狀，我們感覺雪花都是六面形的（為什麼雪花通常是六面而不是八面或者其他呢？這涉及到冰這種晶體的分子排列，就作為課後作業留給你們探索~），但是並不都是，顯微鏡下的天然雪花其實具有非常多變的形態，這就涉及到了雪花結晶過程中環境溫度氣壓等多方面的變化。
部分天然雪花的形狀[2]
因為每一片雪花在大自然形成過程中的條件不可能完全一樣，因此有句話就說「世界上沒有兩片一模一樣的雪花」（真的沒有嗎？文章最後Kenneth教授將展現結晶的藝術來嘗試推翻這句話）。但是從大類上講，雪花的形狀還是有規律可循。日本物理學家Nakaya在20世紀30年代在實驗室通過雪晶的生長發現了下圖的規律。主要研究了溼度和溫度。溼度也就相當於是代表空氣中水蒸氣的濃度，而溫度則相當於調控不同過飽和度（過飽和度是晶體工程的一個很重要的概念，也就是說溶質在溶液當中進行初級成核結晶並不是當濃度恰好高於其在該溫度下的溶解度就會結晶，它需要達到一個比溶解度更高的濃度，也即過飽和到一定程度，通過過飽和度這一推動力跨越一個成核能壘才能自發成核結晶）。各種雪花形狀是在不同的溼度和溫度下產生的，大家可以根據自己所在地方的溫度和溼度猜測一下你們那下的雪可能是什麼形狀的。但是這只是規律而已，在大自然中為什麼雪花會以這樣的形態進行生長，目前依然沒有人能真正解決。科學雖然一直在進步，但大自然的鬼斧神工更加神秘。
溫度、溼度和雪花形態的關係[3]
既然不同的條件會產生不同的雪花形狀，那麼可以在實驗室下自己創造大自然中沒有的雪花形狀嗎？通過在實驗室控制不同的實驗條件自己創造自己想要的形狀的雪花，比大自然的雪花形狀更加複雜更加驚豔！
Kenneth G.Libbrecht教授設計的雪花[4]
當然只看成品可能沒有特別大的衝擊力，觀看雪花生長的視頻能夠直觀的感受整個雪花生長的過程，生長需要40多分鐘甚至更長，這些雪晶在其生長的過程當中的操作條件其實也是人為控制持續變化的，這樣才能創造出更加複雜的晶體。
下面是設計雪花的實驗設備，看Kenneth教授的語氣，原來加州理工學院的教授也很缺研究經費啊哈哈哈哈哈。
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.（製造設計雪花是一個相當複雜的過程，唉，也很昂貴。我使用了循環冷卻器（5千美元），幾個溫度控制器（每個2千美元），以及為此設計和製造的許多硬體。）[4]
既然雪花的生長可以控制，那麼為何不可創造出兩片一模一樣的雪花呢？這個造雪花的藍人讓這成為了現實。
不僅可以長雙胞胎，還可以長四胞胎！
四個一模一樣的雪晶[4]
當然，雖然不能說100%一樣，但可以認為是一模一樣的吧，以後別人要是說「世界上沒有兩片一模一樣的雪花」，你就可以say「NoNo！」，然後甩出上面這張圖片。當然你要是一直鑽牛角尖揪著不放，我就會覺得你丫就是欠揍~
結晶過程研究的東西多種多樣，Kenneth教授將一個普普通通的雪花形成的結晶過程，升級為一種藝術。結晶這一單元操作研究的方向其實有很多，接下來的系列文章將會更加詳細地（其實也沒多詳細）將結晶這一單元操作的基礎知識和研究方向給大家講解。學識有限，如有錯誤還請同行批評指正！
[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. 雪花晶體[DB/OL]. http://www.snowcrystals.com/,2019-09-09.
【特別提示】本文部分圖片以及所有視頻來源於http://www.snowcrystals.com/，版權歸 Kenneth教授所有，我們已經得到Kenneth教授本人的授權（如截圖所示），如需使用，請聯繫Kenneth教授本人。覺得內容還不錯的話，給我點個「在看」唄
能設置個「星標」更好啦
_:(´°ω°`」 ∠):_