Для начала – немного разберемся с терминами. Кристаллы – это одна из возможных фаз существования того или иного вещества. Причем, часто речь идет даже не об одной фазе, а о нескольких, в которых свойства одного и того же вещества или химического соединения могут разительно отличаться. Хрестоматийный пример: графит и алмаз. Вроде бы, кристаллы одного и того же углерода, но, как говорится, есть нюанс. На самом деле таких примеров очень много. Один тип кристаллов фосфора (красный фосфор) относительно стабилен и безопасен, что позволяет использовать его в изготовлении спичек. Другой – т.н. белый фосфор химически активен и ядовит настолько, что из него получаются очень действенные зажигательные боеприпасы. Но вещество, из которого они состоят – одно и то же, просто имеет разную молекулярную структуру. Применительно к веществам такие формы называют аллотропными, а когда речь идет об органических соединениях – используют термин полиморфные модификации.
Знание их свойств и особенностей перехода из одной фазы в другую – имеет большое значение, поскольку от этого часто зависят критически важные свойства продукта. Например, скорость растворения действующего химического соединения в лекарственном препарате прямо влияет на его эффективность: успеет организм его усвоить или оно выйдет вместе с продуктами жизнедеятельности. И важно знать не только свойства конкретной полиморфной модификации, которыми она обладает на момент выпуска, но и то, как на ней сказываются условия хранения или приема лекарства (не зря их детально расписывают в соответствующих инструкциях).
Еще один пример, тоже уже ставший классическим, связан с препаратом ритонавир, который разрабатывался для терапии ВИЧ-инфекции. На стадии испытаний считалось, что есть единственная форма кристаллов препарата и она стабильна. Собственно, в этой форме его и начали выпускать. Но оказалась, что форма не стабильная, а метастабильная и с течением времени (пока лекарство лежало на аптечном складе, к примеру) она переходит в другую полиморфную модификацию, уже не обладающую нужными свойствами по растворимости. Все это вылилось в скандал, отзыв препарата с рынка, и его доработку после соответствующих исследований.
Для разных задач оптимальными являются разные типы кристаллов. Например, гнущиеся кристаллы отличаются от хрупких в технологических процессах, самый простой из которых - прессование. Это важный параметр при таблетировании фармацевтических веществ, а также может существенно влиять на высокоэнергетические материалы. Ранее ученые Новосибирского государственного университета вместе с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии открыли первый гнущийся кристалл при температуре жидкого азота - в будущем это может использоваться в материалах при экстремально низких температурах, а это крайний север, космос и т.д.
Но пока, как отмечают авторы работы, это остается на уровне феномена и его исследования. А вот у их свежего проекта прикладные перспективы выглядят более актуальными. На этот раз объектом исследования стал пиразинамид – противомикробное средство, используемое для лечения активного туберкулеза на начальном этапе терапии отдельно или в комбинации с другими средствами. Ученые с помощью вычислительных методов изучили относительную стабильность полиморфных модификаций этого препарата в широком диапазоне температур. И в результате, нашли систему, в которой состав постоянен, и только кристаллическая структура влияет на механические свойства.
«Пиразинамид был выбран в качестве полезной модели. Целью было понять, как создавать форму с уникальными механическими свойствами для других органических соединений», - рассказал нам руководитель проекта кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры химического материаловедения Факультета естественных наук НГУ, старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН Денис Рычков.
Моделирование различных свойств такой системы – значительный шаг вперед в понимании создания «гнущихся» кристаллов для разных областей науки и техники: фармацевтика, высокоэнергетические материалы, оптоэлектроника, нелинейная оптика и т.д. В настоящее время проект находится на стадии фундаментальных исследований. Так создается база для цифрового органического материаловедения, которую потом можно применять для целенаправленной разработки веществ и материалов, изначально закладывая механические свойства.
«Работа важна не только тем, что мы «закрыли» вопрос устойчивости форм, но и доказали, что гнущаяся α-форма является более устойчивой в сравнении с хрупкой δ-формой при всех температурах до точки плавления. Само по себе это во многом удивительный факт, так как получается, что механически подвижная форма является более устойчивой с точки зрения термодинамики. Завораживает и сама идея управления механическими свойствами: изменяя температуру, мы отслеживаем, как происходит переход из одной формы в другую», объяснил ученый.
Результаты были получены с помощью вычислительных методов, для чего ученые использовали ресурсы суперкомпьютера НГУ и Центра коллективного пользования «Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН». Доступ к данным и их обработка проводились как в вузе, так и в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН, отметили в пресс-службе НГУ.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии