Polümorfism — tahkete ainete ja mineraalide kristalliliste vormide seletus

Avasta polümorfismi olemus, tüübid (pakkimis-, konformatsiooniline, solvo-/pseudopolümorfism) ning mõju mineraalidele, farmaatsiale ja materjaliteadusele.

Polümorfism on materjaliteaduses tahke materjali võime eksisteerida rohkem kui ühes vormis või kristallstruktuuris. See omadus on levinud paljudes ainetes — nii elementides, liitudes kui ka molekulaarsetes ühendites — ning on seotud aine osakeste (ioonide, aatomite, molekulide) erinevate viise kristallvõre sisse paigutumiseks. Polümorfism võib esineda mis tahes kristallilises materjalis, sealhulgas polümeerides, mineraalides ja metallides. Materjali täielikku morfoloogiat kirjeldavad polümorfism koos teiste teguritega, nagu kristalliline harjumus, amorfne osa või kristallograafilised defektid. Polümorfism on oluline sellistes valdkondades nagu farmaatsiatooted, agrokeemilised ained, pigmendid, värvained, toiduained ja lõhkeained, sest erinevad kristallvormid võivad omada väga erinevaid füüsikalisi ja keemilisi omadusi (lahustuvus, kõvadus, stabiilsus, termiline käitumine jne).

Põhjused ja tüübid

Polümorfism võib tekkida mitmel põhjusel. Tihti on selle taga väiksed erinevused molekulide või ioonide paiknemises võres või molekulide erinevad konformatsioonid. Peamised tüübid on:

• Pakkimispolümorfism — sama molekulide või ioonide koostisega aine erinev organiseerumine kristallvõres (st erinev ruumiline pakkimine).
• Konformatsiooniline polümorfism — eri polümorfid tulenevad sama molekuli erinevatest konformatsioonidest (molekuli siseste nurkade/rotatsioonide erinevused).
• Pseudopolümorfism (tihti õigemini solvomorfism) — erinevad kristallitüübid sisaldavad solvaate või kristallvee molekule; need „solvaadiga“ vormid on keemiliselt erineva koostisega võrreldes kuivade vormidega.

Stabiilsus ja faasüleminekud

Polümorfidevahelised erinevused tulenevad peamiselt väikestest energiavahedest kristallivõre energia (lattice energy) vahel ning entropiast. Mõned polümorfiga seotud põhimõisted:

• Stabiilsus sõltub temperatuurist ja rõhust — mõni polümorf on stabiilsem kõrgel temperatuuril, teine madalamal.
• Mõned üleminekud on reversiibled (polümorfid võivad tingimuste muutumisel üksteiseks tagasi pöörduda), teised on kinetiliselt juhitud ja praktiliselt pöördumatud.
• Kliiniliselt või tööstuslikult olulised polümorfid võivad erineda lahustuvuse, sulamispunkti, mehaanilise tugevuse ja kemilise reaktiivsuse poolest.

Iseloomustamine ja tuvastamine

Polümorfide eristamiseks ja uurimiseks kasutatakse mitmeid analüüsi- ja iseloomustamismeetodeid:

• X‑ray difraktsioon (XRD) — kõige otsesem ja laialdasem meetod kristallistruktuuri määramiseks.
• Thermal analysis (DSC, DTA, TGA) — võimaldab tuvastada faasüleminekuid ja hinnata termilist stabiilsust.
• Spektroskoopilised meetodid (IR, Raman, solid‑state NMR) — annavad infot molekulaarsete sidemete ja konformatsioonide kohta.
• Mikroskoopia (optiline, elektronmikroskoopia) — näitab kristallide morfoloogiat ja võib aidata eristada erinevaid faase.

Kontroll ja mõjutegurid

Polümorfi kontrollimine on eriti tähtis farmaatsias, kus erinev polümorf võib mõjutada ravimi biosaadavust või säilimist. Peamised mõjutegurid, mida kasutatakse polümorfide suunamiseks, on:

• Kristalliseerimise kiirus ja temperatuur.
• Solvendi valik ja selle kontsentratsioon.
• Impuriteedid ja lisandid (näiteks inhibiitorid või seederid), need võivad eelistada ühe või teise faasi kasvu.
• Rõhk ja mehaaniline töötlemine (milling, pressimine), mis võivad põhjustada faasimuutusi.

Näited ja tähendus

Orgaaniline polümorfi näide on glütsiin, mis suudab moodustada monoklinaalseid ja heksagonaalseid kristalle. Ränidioksiid moodustab teadaolevalt palju polümorfe, millest kõige olulisemad on α-kvarts, β-kvarts, tridümiit, kristobaliit, moganiit, koseiit ja stishoviit. Klassikaline näide mineraalide maailmast on paar kaltsiit ja aragoniit, mis on mõlemad kaltsiumkarbonaadi vormid, kuid erinevate kristallstruktuuride tõttu erinevate omadustega.

Seos amorfsete materjalidega

Analoogne nähtus amorfsete materjalide puhul on polüamorfism, kus aine võib omandada mitu erinevat amorfset modifikatsiooni (nt erineva tiheduse või lokaalse korraldusega amorfsed faasid).

Kokkuvõte

Polümorfism on põhiline ja praktiliselt tähtis omadus tahketes ainetes: see mõjutab aine käitumist laboris ja tööstuses ning nõuab teadlikku juhtimist paljudes rakendustes. Polümorfide uurimine ühendab kristallograafiat, termodünaamikat, kinetikat ja materiaaltehnoloogiat ning on oluline nii teadusuuringute kui ka tootmise seisukohast.

Küsimused ja vastused

K: Mis on polümorfism?

K: Kuidas on polümorfism seotud allotroopiaga?

K: Millised on mõned näited polümorfismi kohta?

K: Mis on pakkimispolümorfism?

K: Mis on konformatsiooniline polümorfism?

K: Mis on solvomorfism?

K: Kas te oskate tuua näite orgaanilise polümeeri kohta?

Otsing