本文将介绍4-甲基-3-硝基苯甲酸单晶的结构、光学、热和机械表征的研究进展，旨在为4-甲基-3-硝基苯甲酸的应用提供新的思路。
背景：有机NLO材料因其在宽频率范围内快速而大的非线性响应、高光学损伤阈值和固有的可定制性而备受关注。
苯甲酸的副产品是维生素B复合物的重要组成部分。甲基硝基苯甲酸及其衍生物也因其局部麻醉作用而闻名。4-甲基-3-硝基苯甲酸是一种硝化羧酸。如果存在碱基以接受氢离子，羧酸就会提供氢离子。水溶液中的羧酸和液体或熔融羧酸能与活性金属反应生成气态氢和金属盐。这种反应原则上也发生在固体羧酸中，但如果固体酸保持干燥，则反应缓慢。4-甲基-3-硝基苯甲酸是一种强抑制癌细胞趋化性，可开发为新型抗转移药物。Jyothi Prashanth等报道了4-甲基-3-硝基苯甲酸的分子结构和振动分析的理论研究。此外，了解有机4-甲基-3-硝基苯甲酸单晶的结构、热、机械、线性和非线性光学性质也很重要。
4-甲基-3-硝基苯甲酸单晶的结构、光学、热和机械表征：
M. Divya Bharathi等人采用慢蒸发溶液生长技术在室温下生长4-甲基-3-硝基苯甲酸(4M3N)有机单晶。4M3N的合成与晶体生长的实验过程如下：
（1）原料4-甲基-3-硝基苯甲酸(CaH-NOa)从Sigma Aldrich公司获得，纯度为99%，微溶于水。然而，它极易溶于甲醇。因此，4-甲基-3硝基苯甲酸在甲醇溶液中的溶解度研究采用恒温浴法，准确度为±0.01℃。将再结晶的4M3N盐一步一步加入到100ml的甲醇溶液中，密闭容器用磁力搅拌器恒温浴保存。继续加盐和搅拌，直到形成少量沉淀物。这证实了溶液的过饱和状态。然后用移液管抽出10ml透明上清液，将其倒入干净、干燥并称重的空培养皿中。
把溶液加热到30摄氏度，直到溶剂蒸发掉。通过减去空培养皿的重量来测量10ml溶液中存在的盐的量。由此测定100 ml甲醇溶液中溶解4M3N盐的量(克)。用同样的方法测定了4M3N样品在35、40、45和50℃下的溶解度。4M3N溶解度曲线如图1所示。从曲线上可以看出，4M3N在甲醇溶剂中的溶解度随温度的升高而线性增加，呈现出较高的溶解度梯度和正的温度系数。成核研究在30-50℃的五种不同温度的恒温浴中进行。在给定温度下达到过饱和后，进行冷却，直到形成第一个核。将饱和温度和成核温度之差作为亚稳区宽度(MZW)(图1)。了解亚稳区宽度对于设计结晶工艺和获得所需的晶体尺寸、纯度和形状非常重要。随着亚稳区宽度的增大，生长溶液的稳定性略有下降。随着温度的升高而降低。这说明缓慢蒸发技术是合适的方法，溶剂适合生长4M3N晶体。这里要提到的是，4-甲基-3-硝基苯甲酸不溶于水，因此在这项工作中不使用水作为溶剂。
（2）采用慢速溶剂蒸发法生长4M3N单晶。用4M3N重结晶盐和甲醇溶剂，根据溶解度数据在室温下制备饱和溶液，连续搅拌约6h，确保溶液在整个体积内浓度均匀。然后用高质量的4um Whatmann滤纸过滤，去除外来的固体胶体颗粒，并在恒温浴中控制蒸发条件下保持透明滤液。通过自发成核得到了4M3N的种子晶体。采用底种法生长块状晶体。在10-15天内收获质量良好、稳定、不吸湿的黄色晶体，尺寸为32 × 7 × 7 mm3。4M3N晶体的照片和形貌分别如图2(a)和(b)所示。
经过研究，得到以下结论：单晶x射线衍射研究表明，4M3N在单斜晶系中以p21 / n的空间群结晶，并用高分辨率x射线衍射(HRXRD)测量分析了晶体的结晶度。在4M3N中存在的官能团是通过FT-IR和FT-Raman光谱进行鉴定。发现4M3N的下截止波长为404 nm，计算出光学带隙为2.91 eV。折射率随波长变化呈正常的规律。通过TG-DTA研究确定了4M3N化合物的理化变化、分解和稳定性。用z -扫描测量了4M3N的三阶非线性折射率和非线性吸收系数。三阶磁化率的虚部和实部分别为:imx3 =9.129x10 -11 esu, rex3 =1.4034x10 -9 esu。计算得出位错密度为3.0448x10 6 cm-2，表明晶体的质量。
参考文献：
[1] Bharathi M D, Ahila G, Mohana J, et al. Structural, optical, thermal and mechanical characterization of an organic nonlinear optical material: 4-methyl-3-nitrobenzoic acid single crystal[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2016, 98: 290-297.
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