Większość z nas intuicyjnie rozumie, czym jest topnienie: lód zamienia się w wodę, a kryształ traci swoją uporządkowaną strukturę. Przez długie lata nauka traktowała topnienie i przemianę szklistą (przejście ze stanu szklistego do cieczy) jako zupełnie odmienne procesy. Najnowsze badania sugerują jednak, że między tymi zjawiskami występują pewne podobieństwa.
Ciała stałe można w dużym uproszczeniu podzielić na krystaliczne i szkliste (amorficzne). W kryształach cząsteczki są ułożone w regularny, uporządkowany sposób. W materiałach amorficznych, tego porządku nie ma – cząsteczki są rozmieszczone chaotycznie. Podczas ogrzewania kryształy topnieją nagle, w pobliżu określonej temperatury, natomiast materiały amorficzne przechodzą przemianę szklistą stopniowo.
Prestiżowa publikacja
Na łamach czasopisma The Journal of Physical Chemistry Letters opublikowano pracę, która rzuca nowe światło na to klasyczne rozróżnienie. Międzynarodowy zespół badaczy wykazał, że nawet w pełni krystaliczne substancje mogą podczas topnienia zachowywać się w sposób przypominający przemianę szklistą. Jednym z autorów publikacji jest dr hab. Marcin Skotnicki z Pracowni Farmacji Praktycznej Katedry i Zakładu Technologii Postaci Leku, a badania były efektem współpracy z naukowcami z Polski (prof. Anna Czerniecka-Kubicka) i Stanów Zjednoczonych (prof. Marek Pyda, prof. Peggy Cebe).
Naukowcy badali, jak zmienia się ilość ciepła potrzebna do ogrzania substancji wraz ze wzrostem temperatury. Ta wielkość, zwana pojemnością cieplną, odzwierciedla zakres ruchów molekularnych cząsteczek w danym materiale.
W materiałach amorficznych podczas przemiany szklistej obserwuje się charakterystyczny, skokowy wzrost pojemności cieplnej. Oznacza to, że cząsteczki w całej objętości materiału zyskują nowe możliwości poruszania się oraz większą swobodę ruchu.
Dzięki zastosowaniu metod kalorymetrycznych z modulacją temperatury autorzy zaobserwowali bardzo podobne zmiany podczas topnienia całkowicie krystalicznych substancji, takich jak roksytromycyna czy glukoza. Podczas topnienia, poza pikiem topnienia (związanym z energią niezbędną do rozerwania oddziaływań stabilizujących uporządkowaną strukturę), pojawia się skok pojemności cieplnej przypominający zachowanie obserwowane podczas przemiany szklistej.
Co to oznacza w praktyce?
To odkrycie sugeruje, że topnienie kryształów może być procesem bardziej złożonym, niż wcześniej sądzono. Podczas rozpadu uporządkowanej struktury kryształu, w cząsteczkach uruchamiają się nowe rodzaje ruchu które stopniowo zwiększają ich swobodę, podobnie jak dzieje się to w materiałach amorficznych. Innymi słowy, zanim kryształ całkowicie się stopi, jego wnętrze może ujawniać pewne cechy charakterystyczne dla amorficznego ciała stałego.
Dlaczego to ważne?
Choć badania mają charakter podstawowy, mogą dostarczyć istotnych wskazówek w obszarze technologii postaci leku. Właściwości i trwałość leków w postaci stałej są powiązane z mobilnością cząsteczek i charakterem przemian zachodzących podczas ogrzewania. Lepsze zrozumienie procesów towarzyszących topnieniu i innym przemianom fazowym może w przyszłości pomóc w trafniejszej interpretacji badań termicznych oraz wspierać prace nad stabilnością preparatów leczniczych.
Odkrycie opisane w publikacji pokazuje, że nawet dobrze poznane procesy fizyczne mogą nas jeszcze zaskakiwać. Granica między topnieniem a przemianą szklistą wydaje się mniej wyraźna niż dotąd sądzono, a świat materii stałej jest bardziej złożony i ciekawszy, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka.
Żródło:
- Pyda M, Czerniecka-Kubicka A, Cebe P, Skotnicki M. 2026. Heat Capacity Signature Resembling the Glass Transition in Crystalline Solids: Challenging the Classical View of Melting. The Journal of Physical Chemistry Letters 2026 17 (1), 61-68 DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c03072
Kontakt: dr hab. Marcin Skotnicki, Pracownia Farmacji Przemysłowej, Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, e-mail: marcskot[at]ump.edu.pl
Zezwalamy na bezpłatny przedruk artykułów ze strony pod wyłącznym warunkiem podania źródła artykułu. Prosimy o podanie następującego źródła: Nauka i Zdrowie UMP – onauce.ump.edu.pl
Prezentowane treści mają charakter wyłącznie informacyjny oraz edukacyjny i nie powinny być interpretowane jako porady medyczne służące do diagnozowania lub leczenia.
