Polimorfisms materiālzinātnē: kristāliskās un amorfās modifikācijas

Polimorfisms materiālzinātnē: atklāj kristāliskās un amorfās modifikācijas, to ietekmi uz īpašībām, farmāciju, rūpniecību un materiālu dizainu.

Materiālzinātnē polimorfisms ir cieta materiāla spēja pastāvēt vairākās kristāliskajās formās vai kristāliskajā struktūrā. Polimorfisms sastopams ļoti dažādos materiālos — polimēros, minerālos un metālos — un tas būtiski ietekmē materiāla fizikālās, ķīmiskās un tehnoloģiskās īpašības, piemēram, cietību, izturību, šķīdību, optiskās īpašības un elektrisko vadītspēju. Polimorfisms parasti saistāms ar atšķirībām atomu vai molekulu iepakojumā kristāla režģī, taču materiāla morfoloģiju papildus nosaka arī tādi faktori kā kristāliskais habituss, amorfā frakcija un kristalogrāfiskie defekti. Polimorfisms ir svarīgs tādās nozarēs kā farmācija, agroķimikālijas, pigmenti, krāsvielas, pārtikas produkti un sprāgstvielas, jo dažādas polimorfās modifikācijas var atšķirties ar derīgumu, drošību, stabilitāti un ražošanas prasībām.

Polimorfisma veidi

Galvenie polimorfisma veidi ir:

• Iepakojuma polimorfisms — dažādas kristāliskās formas rodas tāpēc, ka viena un tā pati molekula var iepakoties dažādos veidos kristāliskajā režģī.
• Konformācijas polimorfisms — attiecas uz organiskām molekulām, kas spēj ieņemt vairākus konformērus (molekulas telpiskos izkārtojumus); atšķirīgi konformeri kristalizē atšķirīgās formās.
• Pseidopolimorfisms (solvomorfisms) — šķidrā molekula (piemēram, ūdens vai kāds cits sols) veido stabilu daļu no kristāliskās struktūras, radot dažādas hidratētas vai solvētas formas. Tā pareizāks termins ir solvomorfisms, jo dažādi solvati maina gan struktūru, gan ķīmisko formulu.

Praktiski piemēri: organiskā piemēra — glicīns — spēj veidot monoklīniskus un heksagonālus kristālus; zināms, ka silīcija dioksīds (SiO2) veido daudzus polimorfus, tostarp α-kvarcu, β-kvarcu, tridimītu, kristobalītu, moganītu, koezītu un stishovītu; klasisks minerālu pāris ir kalcīts un aragonīts — abas formas ir kalcija karbonāta izomorfas, taču ar atšķirīgām kristālstruktūrām un īpašībām.

Nozīme un praktiskā ietekme

Atšķirīgas polimorfās formas var ievērojami atšķirties ar:

• šķīdību un izšķīšanas ātrumu (nozīmīgi farmācijā — ietekmē zāļu biopieejamību),
• stabilitāti pie noteiktām temperatūrām un mitruma (kaitējumi uzglabāšanā),
• mehāniskajām īpašībām (cietība, lūzuma pretestība),
• optiskajām un elektroniskajām īpašībām (piem., pusvadītājos vai optiskos materiālos),
• ražošanas procesiem (filtrācija, žāvēšana, malšana — dažas formas var veidoties vai transformēties procesu laikā).

Farmācijā polimorfisms var ietekmēt arī patentējamību — ja zāļu vielai atklāj jaunu, praktiski izmantojamu polimorfismu, tas var kalpot par pamatu patentam vai izmaiņām formulējumos.

Termodinamisks un kinētisks skatījums

Polimorfiskajām formām ir atšķirīgas enerģijas un tādēļ atšķirīga termodinamiskā stabilitāte. Bieži izmanto klasifikāciju enantiotropisks (divas formas var mainīties vietām atkarībā no temperatūras — abas atgriezeniskas transformācijas) un monotropisks (viena forma ir pastāvīgi stabilāka visā temperatūru diapazonā, pārējās ir metastablas). Praktiski svarīgs aspekts ir, ka kinetika (piemēram, nukleācijas ātrums, molekulu mobilitāte) var ļaut metastabilai formai veidoties un saglabāties ilgi, pat ja termodinamiskā enerģija liecina par citas formas stabilitāti.

Polimorfisma raksturošanas metodes

Polimorfiskās formas identificē un raksturo ar dažādām analītiskām metodēm, biežākās ir:

• Rentgenstaru difrakcija (XRD) — galvenā metode kristālstruktūras noteikšanai un polimorfas formas identifikācijai.
• Diferenciālā skalošanas kalorimetrija (DSC) un termogravimetriskā analīze (TGA) — izmanto, lai noteiktu fāžu pārejas, kušanas punktus, hidratācijas/solvatācijas zudumu.
• Raman un IR spektroskopija — sniedz informāciju par molekulāro ķīmiju un vidi kristāliskajās tīklos.
• Cietvielu NMR — noderīgs organiskajām sistēmām, lai atšķirtu lokālās ķīmiskās vides.
• Optiskā mikroskopija (polarizācijas mikroskopija), SEM — morfoloģijas un habitusa novērtēšanai.
• Kombinētas termiskās un spektrālās metodes, in situ difrakcija augstspiedienā vai augstā temperatūrā — seko fāžu pārejām reālos apstākļos.

Polimorfisma kontrole un praktiskais nozīmīgums ražošanā

Polimorfisma kontrole ir būtiska rūpnieciskajos procesos. Arī nelielas izmaiņas kristalizācijas apstākļos — temperatūrā, spiedienā, šķīdinātāja izvēlē, koncentrācijā, piesārņotāju klātbūtnē vai sēklu (seed) izmantošanā — var mainīt, kura polimorfā forma veidosies. Mehāniskā apstrāde (piem., malšana, žāvētāji) var inducēt pārejas uz metastabilām formām. Līdz ar to ražotāji veic plašas polimorfu ekrānēšanas procedūras, lai identificētu visas potenciāli iespējamas formas un izvēlētos optimālo formu gan kvalitātes, gan stabilitātes un procesa vadības ziņā.

Amorfie materiāli un poliamorfisms

Analoģiska parādība amorfiem materiāliem ir poliamorfisms, kad viela var pastāvēt vairākās dažādās amorfās modifikācijās ar atšķirīgu blīvumu, struktūras īpatnībām vai fizikālajām īpašībām. Slavens piemērs ir amorfais ūdens (amorfais ledus) ar vairākām formām (piem., low-density un high-density amorphous ice). Poliamorfisms novērojams arī dažos oksīdos un metālos, un tas interesē pētījumus par stāvokļu pārejām bez kristalizācijas.

Kopsavilkums

Polimorfisms ir fundamentāla parādība materiālzinātnē, kas ietekmē materiālu īpašības un to pielietojumu. Izpratne par polimorfisma mehānismiem, pareiza analītika un rūpnieciskie kontroles pasākumi ir būtiski, lai nodrošinātu reģulētiem un drošiem produktiem piemērotas, ilgtspējīgas un reproducējamas kristāliskas formas.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir polimorfisms?

J: Kā polimorfisms ir saistīts ar alotropiju?

J: Kādi ir daži polimorfisma piemēri?

J: Kas ir iepakojuma polimorfisms?

J: Kas ir konformācijas polimorfisms?

J: Kas ir solvomorfisms?

J: Vai varat minēt organiskā polimēra piemēru?

Meklēt pēc burta