تعدد الأشكال: أشكال متعددة من المادة

الوصف

هي ظاهرة يمكن بموجبها أن توجد المادة في أكثر من شكل أو بنية بلورية واحدة، بنفس التركيب الكيميائي. وتظهر الأشكال المختلفة، والمعروفة باسم تعدد الأشكال، بسبب الاختلافات في طريقة ترتيب الذرات أو الجزيئات في التركيب الصلب. يلعب تعدد الأشكال دورًا مهمًا في الكيمياء وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية لأن هذه الأشكال المختلفة يمكن أن تُظهر خواص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية مختلفة.

أساسيات تعدد الأشكال

يحدث تعدد الأشكال في جوهره عندما يمكن أن تتبلور مادة ما في أكثر من ترتيب، على الرغم من أن تركيبها الجزيئي أو الذري يبقى دون تغيير. وتسمى البنى البلورية الفريدة بتعدد الأشكال. وتؤثر هذه الترتيبات المختلفة على سلوك المادة، بما في ذلك قابليتها للذوبان واستقرارها ودرجة انصهارها وخصائصها البصرية. ويحدد الترتيب الخاص للجزيئات في الشبكة البلورية الخصائص العيانية للمادة ويمكن أن تختلف بشكل كبير مع تعدد الأشكال.

تشمل تقنيات تحديد الأشكال المتعددة الأشكال حيود الأشعة السينية الذي يُظهر البنية البلورية وطرق التحليل الحراري مثل المسعر بالمسح التفاضلي الذي يكشف عن الاختلافات في درجات الانصهار والسلوكيات الحرارية.

أنواع الأشكال المتعددة الأشكال

يمكن أن تصنف الظروف التي تتشكل فيها الأشكال المتعددة الأشكال إلى فئات مختلفة:

• متعدد الأشكال المستقر: هذا هو الشكل الأكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية عند درجة حرارة وضغط معينين. يميل هذا إلى أن يكون الشكل الأكثر وفرة وثباتًا للمادة في ظل الظروف العادية.
• متعدد الأشكال المستقر: هذه الأشكال المتعددة الأشكال مستقرة فقط في ظل ظروف محددة وقد تتحول إلى الشكل المتعدد المستقر بمرور الوقت أو تحت تغيرات في درجة الحرارة أو الضغط.
• الأشكال غير المتبلورة: على الرغم من عدم اعتبارها متعددة الأشكال بشكل دقيق، إلا أن المواد الصلبة غير المتبلورة مثل الزجاج ليس لها بنية داخلية مرتبة مقارنةً بالأشكال المتعددة البلورية. ويمكنها أيضًا إظهار تعدد الأشكال بالنسبة للأشكال البلورية.

أمثلة على تعدد الأشكال

• الكربون: يعد الكربون أحد أشهر الأمثلة على تعدد الأشكال، حيث يوجد في عدة أشكال متعددة الأشكال، بما في ذلك الماس والجرافيت. يتكون كل من الماس والجرافيت بالكامل من ذرات الكربون، لكن خصائصهما مختلفة بشكل لافت للنظر. فالألماس له بنية شبكية رباعية الأوجه صلبة ثلاثية الأبعاد، وهو أقسى مادة معروفة، بينما يتكون الجرافيت من طبقات من ذرات الكربون مرتبة في مستويات مسطحة ويمكن أن يكون ناعمًا وزلقًا وموصلًا جيدًا للكهرباء.
• الكبريت: يحدث الكبريت أيضًا في عدة تعديلات متعددة الأشكال، وأكثرها شيوعًا هو الكبريت المعيني، وهو مستقر في درجات الحرارة العادية. وعند درجات الحرارة المرتفعة، عادةً ما يتحول إلى تعديل الكبريت الأحادي المعيني، وهو أكثر كثافة. ويعتمد التحول بين الشكلين المذكورين أعلاه على درجة الحرارة وبالتالي يؤدي إلى تغيرات في التركيب البلوري للكبريت.
• ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂): أحد الأمثلة المعروفة على تعدد الأشكال في المركبات غير العضوية هو ثاني أكسيد التيتانيوم، TiO₂ . ويحدث في العديد من الأشكال المتعددة، بما في ذلك الأناتاز والروتيل والبروكيت، وهي الأكثر شيوعًا. تختلف هذه الأشكال المتعددة الأشكال في التركيب البلوري والخصائص. على سبيل المثال، الروتيل هو الشكل الأكثر ثباتًا وشيوعًا من TiO₂، ويستخدم على نطاق واسع في الأصباغ، في حين أن الأناتاز يجد العديد من التطبيقات في التحفيز الضوئي بسبب مساحته السطحية الأعلى.
• المستحضرات الصيدلانية: في هذه الصناعة، تعدد الأشكال له أهمية كبيرة. توجد العديد من الأدوية في العديد من الأشكال المتعددة التي يمكن أن يكون لها تأثيرات كبيرة على قابليتها للذوبان ومعدلات الذوبان والتوافر البيولوجي. على سبيل المثال، يُستخدم عقار الثيوفيلين في حالات الربو ويوجد في عدد من الأشكال المتعددة التي يمكن أن تختلف فعاليتها وثباتها. تتطلب جميع منهجيات تطوير الأدوية اكتشاف واختيار متعدد الأشكال المثالي في نهاية المطاف.
• الأملاح والمركبات العضوية: ينعكس تعدد الأشكال أيضًا في مجموعة متنوعة من الأملاح غير العضوية والعضوية. تشمل الأمثلة الكلاسيكية كبريتات النحاس، CuSO₄، والتي يمكن أن توجد في عدة أشكال متعددة الأشكال، مثل خماسي الهيدرات وأحادي الهيدرات، ببساطة بناءً على محتوى الماء المختلف. تُظهر المركبات العضوية مثل الإيبوبروفين والباراسيتامول تعدد الأشكال، وقد يكون لأحد الأشكال قابلية ذوبان أعلى مقارنةً بشكل آخر أو معدلات ذوبان أسرع، ومن ثم تصبح مهمة أثناء عمليات التطوير والتركيب في تصميم الأدوية.

تطبيقات تعدد الأشكال

تطبيقات تعدد الأشكال لا تعد ولا تحصى وتتنوع بشكل كبير بين مختلف المجالات:

1. المستحضرات الصيدلانية: يمكن أن يؤثر تعدد أشكال الأدوية على فعاليتها وثباتها وعمليات تصنيعها. تدرس شركات الأدوية تعدد الأشكال بعناية من أجل تحسين قابلية الذوبان والتوافر البيولوجي للأدوية. يتم اختيار متعدد الأشكال المناسب لتركيب الأدوية لضمان امتصاصها بشكل أفضل في الجسم.
2. علم المواد: يلعب تعدد الأشكال دورًا في ابتكار مواد متقدمة، لا سيما في تطوير البوليمرات وأشباه الموصلات والمواد النانوية الجديدة . يمكن تكييف الخصائص الفيزيائية المختلفة للأشكال المتعددة الأشكال، مثل الصلابة أو التوصيل أو الشفافية، لاستخدامات محددة.
3. صناعة الأغذية: يمكن أيضًا رؤية تعدد الأشكال في بعض المكونات الغذائية مثل زبدة الكاكاو والسكر. يمكن أن تؤثر الأشكال البلورية المختلفة لهذه المواد على قوام المنتجات الغذائية وقوامها وجودة المنتجات الغذائية. على سبيل المثال، سيؤثر الشكل البلوري للشوكولاتة على نعومتها ودرجة انصهارها، ومن ثم جودتها في المنتج النهائي.
4. الكيمياء والتحفيز: قد يكون لبعض التفاعلات الكيميائية استعداد نحو تكوين أحد الأشكال المتعددة الأشكال على الآخر وفقًا لظروف التفاعل. تمكّن دراسة تعدد الأشكال في الحفز من إعداد محفزات أكثر نشاطًا وانتقائية، خاصةً للتطبيقات الصناعية.

الأسئلة المتداولة

ما الفرق بين تعدد الأشكال والمتآصلات؟

في حين أن المتآصلات هي أشكال هيكلية لعنصر ما، تشير الأشكال المتعددة إلى الأشكال المختلفة التي قد تتبلور فيها مادة معينة. يقال إن للكربون متآصلات مختلفة، وهي الماس والجرافيت. ومع ذلك، في معظم الحالات، يستخدم مصطلح تعدد الأشكال للمركبات التي تتبلور في أكثر من شكل واحد.

ما أهمية تعدد الأشكال في صناعة الأدوية؟ السبب في ذلك هو أن الأشكال المتعددة الأشكال المختلفة لدواء واحد ونفس الدواء لها خصائص مختلفة، مثل القابلية للذوبان والتوافر البيولوجي. يمكن أن يعزز تعدد الأشكال الصحيح من فعالية الدواء وثباته وعملية تصنيعه.

هل يمكن أن تتغير الأشكال المتعددة الأشكال من شكل إلى آخر؟

نعم، يمكن أن تخضع الأشكال المتعددة الأشكال للتحول من شكل إلى آخر، خاصةً عند تغير درجة الحرارة أو الضغط أو الظروف البيئية. ويحدث ذلك في الغالب مع تحول الأشكال المتعددة الأشكال المستقرة إلى الأشكال الأكثر استقرارًا تدريجيًا.

هل الأشكال المتعددة الأشكال مستقرة دائمًا؟

لا، ليست كل الأشكال المتعددة الأشكال مستقرة؛ فبعضها قابل للاستقرار ولا يوجد إلا في ظروف معينة، ويتحول إلى الشكل الأكثر استقرارًا عندما تتغير الظروف.

كيف يحدد العلماء الأشكال المتعددة الأشكال؟

يدرس العلماء الأشكال البلورية للعديد من المواد باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية. يمكن لتقنيات أخرى مثل التحليل الحراري والتحليل الطيفي أن تساعد أيضًا في تحديد الأشكال المتعددة الأشكال من خلال الكشف عن الاختلافات في الخصائص مثل درجات الانصهار والذوبان.