Polimorfismo (ciencia de materiales) para niños
| Polimorfismo | |
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En el mundo de los materiales y los minerales, el polimorfismo es la capacidad que tiene un material sólido de existir en más de una forma o estructura cristalina. Imagina que un mismo material puede organizarse de diferentes maneras a nivel de sus átomos, como si tuviera varios "disfraces" cristalinos.
El polimorfismo se puede encontrar en casi cualquier material que forme cristales, como los polímeros (plásticos), los minerales y los metales. Está relacionado con la alotropía, que es cuando un elemento químico (como el carbono) puede presentarse en diferentes formas, como el diamante y el grafito. Ambos son carbono puro, pero sus átomos están organizados de forma distinta, lo que les da propiedades muy diferentes.
Entender el polimorfismo es muy importante en campos como la fabricación de medicamentos, productos para la agricultura, pigmentos (para dar color), alimentos y otros materiales que pueden reaccionar rápidamente.
Cuando el polimorfismo ocurre porque los átomos o moléculas se empaquetan de forma diferente en el cristal, se llama polimorfismo de empaquetamiento. También puede ocurrir si la misma molécula puede doblarse o girar de diferentes maneras, lo que se conoce como polimorfismo conformacional.
A veces, las diferencias en los cristales se deben a que el material ha absorbido agua u otras sustancias. Esto se llama seudopolimorfismo o, más específicamente, solvatomorfismo si es por otras sustancias.
Un ejemplo de polimorfismo es la glicina, un tipo de molécula que puede formar cristales con dos formas diferentes: monoclínica y hexagonal. La sílice (un componente de la arena) también tiene muchos polimorfos, como el cuarzo, la tridimita y la cristobalita. Otro ejemplo clásico son los minerales calcita y aragonita, que son dos formas diferentes del carbonato de calcio.
Para los materiales que no forman cristales (llamados amorfos), existe un fenómeno similar llamado poliamorfismo, donde una sustancia puede tener diferentes formas amorfas.
Contenido
¿Cómo se produce el polimorfismo?
Desde el punto de vista de la termodinámica (que estudia la energía y el calor), hay dos tipos de polimorfismo. En algunos casos, una forma de cristal es más estable que otra y cualquier cambio de una a otra es irreversible. En otros casos, las formas pueden convertirse de una a otra de manera reversible, es decir, pueden cambiar y volver a su forma original si las condiciones cambian.
La primera vez que se observó el polimorfismo en materiales orgánicos fue en 1832. Dos científicos, Friedrich Wöhler y Justus von Liebig, notaron que al enfriar una solución de benzamida, primero se formaban cristales con forma de agujas. Pero si los dejaban reposar, estos cristales se transformaban lentamente en otros con forma de rombos. Hoy sabemos que la benzamida tiene tres polimorfos diferentes, cada uno con una estabilidad distinta.
¿Por qué son importantes los polimorfos?
Los polimorfos tienen diferentes niveles de estabilidad. Una forma menos estable (llamada metaestable) puede transformarse espontáneamente en una forma más estable a una temperatura específica.
Además, los polimorfos pueden tener:
- Diferentes puntos de fusión (la temperatura a la que se derriten).
- Diferente solubilidad (qué tan bien se disuelven en un líquido), lo cual es muy importante para los medicamentos, ya que afecta la rapidez con la que el cuerpo los absorbe.
- Diferentes patrones cuando se les aplica rayos X, lo que ayuda a identificarlos.
Las condiciones durante el proceso de cristalización son la razón principal por la que se forman diferentes polimorfos. Algunas de estas condiciones incluyen:
- El tipo de solvente (el líquido en el que se disuelve el material).
- La presencia de ciertas impurezas que pueden influir en cómo crecen los cristales.
- La concentración del material en la solución.
- La temperatura a la que se realiza la cristalización.
- La forma en que las moléculas se unen entre sí.
- Cambios en cómo se agita la mezcla.
A pesar de su importancia, el polimorfismo no siempre se comprende completamente. Por ejemplo, en 2006 se descubrió una nueva forma de cristal de ácido maleico, 124 años después de que se estudiara la primera forma. Este ácido es un químico muy usado en la industria.
La Regla de Ostwald
La regla de Ostwald, propuesta por Wilhelm Ostwald, dice que, por lo general, el primer polimorfo que se forma al cristalizar una sustancia no es el más estable, sino uno que es lo suficientemente estable como para cristalizar primero.
Por ejemplo, al sublimar el fósforo, primero se forma el fósforo blanco, que es menos estable, y luego se transforma en el fósforo rojo, que es más estable. Esta regla no es una ley universal, pero es una tendencia común en la naturaleza.
Polimorfismo en la fabricación de medicamentos
El polimorfismo es muy importante en el desarrollo de ingredientes farmacéuticos. Muchos fármacos reciben aprobación para una sola forma cristalina o polimorfo.
Un caso famoso fue el del medicamento Zantac. La empresa que lo fabricaba, GlaxoSmithKline, defendió su patente para una forma específica de cristal (polimorfo II) de su ingrediente activo, mientras que la patente de otra forma (polimorfo I) ya había terminado.
El polimorfismo en los medicamentos también puede tener efectos directos en la salud. Los medicamentos a menudo se toman por vía oral como sólidos cristalinos, y la velocidad a la que se disuelven en el cuerpo depende de la forma exacta del cristal. La pureza de los polimorfos en los medicamentos se puede verificar usando técnicas como la difracción de rayos X.
Un ejemplo notable es el del medicamento antiviral ritonavir. Se descubrió que un polimorfo de este medicamento era casi inactivo en comparación con otra forma cristalina. Además, el polimorfo inactivo podía convertir el polimorfo activo en la forma inactiva al contacto, porque la forma inactiva era más estable. Esto causó serios problemas en la producción, que se resolvieron cambiando la forma del medicamento a cápsulas de gel y tabletas.
El cefdinir es otro medicamento para el que se han descrito varios polimorfos. Las empresas farmacéuticas han patentado diferentes formas de este medicamento, incluyendo algunas que contienen agua.
El ácido acetilsalicílico (aspirina) tiene un segundo polimorfo que fue descubierto hace relativamente poco tiempo. Esta nueva forma es estable solo a temperaturas muy bajas y vuelve a la forma original a temperatura ambiente.
Otras situaciones importantes en la fabricación de medicamentos:
- El paracetamol en polvo no se compacta bien, lo que dificulta la fabricación de tabletas. Por eso, se busca un nuevo polimorfo que sea más fácil de comprimir.
- Debido a las diferencias en la solubilidad, un polimorfo puede ser más efectivo que otro polimorfo del mismo medicamento.
- La cortisona tiene al menos cinco polimorfos diferentes, y cuatro de ellos son inestables en agua y cambian a una forma estable.
- La carbamazepina (usada para la epilepsia) tiene diferentes polimorfos que se forman dependiendo del tipo de solvente usado en su cristalización.
- El estrógeno y el cloranfenicol también muestran polimorfismo.
Walter McCrone, un experto en microscopía, dijo que "cada compuesto tiene diferentes formas polimórficas, y que, en general, el número de formas conocidas para un compuesto dado es proporcional al tiempo y el dinero invertido en la investigación sobre ese compuesto".
A veces, los polimorfos cristalinos pueden "desaparecer". Se han registrado casos en los que los laboratorios cultivan cristales de una estructura particular, y luego, al intentar recrearla, no se forma la estructura original, sino una nueva. También se ha visto que una estructura cristalina puede cambiar intermitentemente de un momento a otro. Estos polimorfos "desaparecidos" son probablemente formas metaestables que son difíciles de obtener.
Politipismo
Los politipos son un caso especial de polimorfos. En este caso, varias estructuras cristalinas se diferencian solo en una dimensión. Los politipos tienen capas de átomos idénticas, pero la forma en que estas capas se apilan en una dirección específica es diferente.
El carburo de silicio (SiC) tiene más de 170 politipos conocidos, aunque la mayoría son poco comunes. Todos los politipos de carburo de silicio tienen casi la misma densidad y energía.
Algunos politipos comunes de SiC:
| Fase | Estructura | Notación Ramsdell | Secuencia de apilamiento | Comentario |
|---|---|---|---|---|
| α-SiC | hexagonal | 2H | AB | Forma wurtzita |
| α-SiC | hexagonal | 4H | ABCB | |
| α-SiC | hexagonal | 6H | ABCACB | La forma más estable y común |
| α-SiC | rombohedral | 15R | ABCACBCABACABCB | |
| β-SiC | cara cúbica centrada | 3C | ABC | Forma esfalerita o blenda de cinc |
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Véase también
