水晶工程

水晶工程通过有意控制分子间相互作用来研究具有所需特性的固态结构的设计和合成。它是一个跨学科的学术领域，将固态化学和超分子化学联系起来。目前使用的主要工程策略是氢-卤素键和配位键。这些可以通过诸如超分子合成子和二级构建单元等关键概念来理解。

R.Pepinsky于1955年首次使用“晶体工程”一词，但其起点通常归功于GerhardSchmidt与晶体肉桂酸中的光二聚反应有关。自首次使用以来，该术语的含义已xxx扩展，包括固态超分子化学的许多方面。一个有用的现代定义是由GautamDesiraju提供的，他在1988年将晶体工程定义为对晶体堆积背景下的分子间相互作用的理解，并将这种理解用于设计具有所需物理和化学特性的新固体。由于分子材料的许多体积特性取决于分子在固态下的排列方式，

水晶工程依靠非共价键来实现固态分子和离子的组织。尽管配位键和卤素键在晶体设计中提供了额外的控制，但关于纯有机系统的大部分初步工作都集中在氢键的使用上。分子自组装是晶体工程的核心，它通常涉及互补氢键面或金属与配体之间的相互作用。超分子合成子是许多结构共有的构件，因此可用于对固态的特定基团进行排序。

共晶体的有意合成通常是通过强异分子相互作用来实现的。多组分晶体的主要相关性集中在设计药物共晶体。药物共晶体通常由一种API（活xxx物成分）和其他根据WHO（世界卫生组织）提供的指南被认为是安全的分子物质组成。API的各种特性（如溶解度、生物利用度、渗透性）可以通过药物共晶体的形成来调节。

二维结构（即分子厚结构）是晶体工程的一个分支。这种结构的形成（通常称为分子自组装，取决于其沉积过程）在于使用固体界面来产生吸附的单分子层。这种单层可以具有空间结晶度。然而，从无定形到网络结构的动态和广泛的单层形态使术语（2D）超分子工程成为更准确的术语。具体而言，超分子工程是指以获得可预测结构的方式设计分子单元，或将定义明确的分子模块设计、合成和自组装成定制的超分子结构。扫描探针显微技术使二维组件的可视化成为可能。

多晶型现象，即同一化合物以不止一种晶型存在的现象，在商业上具有相关性，因为药物的多晶型形式可能享有独立的专利保护。晶体工程对制药行业的重要性预计将呈指数级增长。由于结晶过程中动力学和热力学因素之间的竞争，产生了多晶型。虽然长程强分子间相互作用决定了动力学晶体的形成，但分子的紧密堆积通常会驱动热力学结果。理解动力学和热力学之间的这种二分法构成了与多态性相关的研究重点。在有机分子中，主要观察到三种多态性。当分子以不同的方式堆积以产生不同的结构时，就会出现堆积多态性。另一方面，构象多态性主要见于柔性分子，其中分子在小能量窗口内具有多种构象可能性。结果，可以使用相同的分子但具有不同的构象获得多个晶体结构。最罕见的多态性来自初级合成子的差异，这种类型的多态性称为合成子多态性。

晶体结构预测(CSP)是一种计算方法，用于从给定的分子结构生成能量上可行的晶体结构（具有相应的空间群和位置参数）。CSP练习被认为xxx挑战性，因为实验晶体结构通常是动力学结构，因此很难预测。在这方面，已经提出了许多协议，并通过CCDC自2002年以来组织的几次盲测进行了测试。CSP的重大进步发生在2007年，同时引入了基于定制力场和密度泛函理论(DFT)的混合方法.在xxx步中，该方法采用量身定制的力场来决定结构的等级，然后使用色散校正的DFT方法来精确计算晶格能量。除了预测晶体结构的能力外，CSP还给出了晶体结构的计算能量图，其中许多结构位于一个狭窄的能量窗口内。这种计算的景观有助于深入研究多态性、新结构的设计，也有助于设计结晶实验。

设计具有所需特性的晶体结构是晶体工程的最终目标。晶体工程原理已应用于非线性光学材料的设计，尤其是那些具有二次谐波产生(SHG)特性的材料。使用超分子合成子，设计了超分子凝胶。

设计具有目标特性的晶体材料需要了解材料的分子和晶体特征与其机械性能相关。晶体材料的四个机械性能是令人感兴趣的：可塑性、弹性、脆性和剪切强度）。

操纵分子间相互作用网络是控制体积特性的一种手段。在结晶过程中，分子间相互作用根据静电层次形成。强氢键是晶体组织的主要导向。

通常，xxx的分子间相互作用形成分子层或分子柱，而最弱的分子间相互作用形成滑移面。例如，由于苯环两侧的氢键供体和受体形成对乙酰氨基酚分子的长链或层。对乙酰氨基酚的链或层之间较弱的相互作用需要比氢键更少的能量来断裂。结果，形成了滑动面。超分子合成子是一对在结晶早期形成相对强的分子间相互作用的分子；这些分子对是在晶格中发现的基本结构基序。

晶格缺陷，例如点缺陷、倾斜边界或位错，会在晶体结构和拓扑结构中产生缺陷。对晶体结构的任何破坏都会改变分子运动的机制或程度，从而改变材料的机械性能。点缺陷的例子包括空位、替代杂质、间隙杂质、弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷。线缺陷的例子包括刃位错和螺位错。

晶体学方法，例如X射线衍射，用于通过量化原子之间的距离来阐明材料的晶体结构。X射线衍射技术依赖于特定的晶体结构，在X射线衍射通过晶格后产生独特的图案。微观方法，例如光学、电子、场离子和扫描隧道显微镜，可用于可视化材料的微观结构、缺陷或位错。最终，这些方法详细说明了结晶过程中微晶的生长和组装，可用于合理化微晶响应施加载荷的运动。量热法，例如差示扫描量热法，使用诱导相变来量化焓、熵、和吉布的自由能。熔化和融合相变取决于结晶材料的晶格能，可用于确定样品的结晶度百分比。拉曼光谱是一种利用光散射与样品中的键相互作用的方法。该技术提供有关化学键、分子间相互作用和结晶度的信息。

纳米压痕是在晶体工程领域测量机械性能的标准且被广泛接受的方法。该方法量化了结晶材料的硬度、弹性、堆积各向异性和多晶型。Hirshfeld曲面是特定等值面上电子密度的可视化模型，有助于可视化和量化分子间相互作用。在晶体工程中使用Hirshfeld表面的一个优点是这些表面图嵌入了有关分子及其邻居的信息。对分子邻居的洞察可以应用于分子特性的评估或预测。一种使用能量框架进行形貌和滑移面分析的新兴方法，能量框架是晶体堆积模型，将相互作用能描述为柱或梁。