Polimorfismo e transizioni allo stato solido

Diamante e grafite sono entrambi carbonio puro, eppure uno è il materiale più duro che conosciamo e l’altro è così morbido da scrivere sulla carta. Stessa identica composizione, proprietà opposte: la differenza è soltanto nel modo in cui gli atomi sono disposti. Questo fenomeno — il polimorfismo — non è una curiosità da minerali, ma una questione che vale brevetti, efficacia di farmaci e qualità di prodotti.

Vediamo che cos’è il polimorfismo, perché la stessa sostanza può cristallizzare in forme diverse e perché questo ha conseguenze enormi soprattutto nell’industria farmaceutica.

Stessa composizione, strutture diverse

Si parla di polimorfismo quando una stessa sostanza può esistere in più di una struttura cristallina. Ogni struttura è un polimorfo (o forma cristallina) e, pur avendo composizione chimica identica, ha proprietà fisiche diverse: punto di fusione, densità, durezza, solubilità, colore. Quando il fenomeno riguarda un elemento puro (come il carbonio) si parla più precisamente di allotropia, ma il concetto è lo stesso.

Chi comanda: termodinamica e cinetica

A una data temperatura e pressione, uno solo dei polimorfi è il più stabile, quello con la minima energia libera; gli altri sono metastabili. Eppure spesso, cristallizzando, si ottiene proprio una forma metastabile: perché la cinetica può prevalere sulla termodinamica. Una forma meno stabile ma più «facile» da nucleare si forma per prima e poi, se le condizioni la favoriscono, può lentamente convertirsi nella forma stabile.

ΔG = Gforma II − Gforma I

La forma con la G più bassa è quella termodinamicamente stabile; la differenza ΔG misura la spinta alla conversione da una forma all’altra. Quale polimorfo si ottiene dipende quindi non solo dalla termodinamica ma anche da come si conduce la cristallizzazione: solvente, temperatura, velocità di raffreddamento, presenza di «semi» cristallini. Controllare queste condizioni significa controllare la forma cristallina.

Come si riconosce un polimorfo

Distinguere una forma cristallina dall’altra è un compito di routine in molti laboratori. Lo strumento principe è la diffrazione di polveri: polimorfi diversi, avendo strutture diverse, danno diffrattogrammi diversi, e il confronto con i riferimenti permette di identificare con certezza la forma presente. La calorimetria differenziale (DSC) rivela i polimorfi dai loro diversi punti di fusione e dalle transizioni che subiscono scaldando il campione. Anche la spettroscopia infrarossa e Raman e la microscopia ottica in luce polarizzata aiutano a riconoscere le forme. In produzione, un controllo XRD di routine sui lotti garantisce che si stia ottenendo sempre il polimorfo voluto e non, per un cambiamento di processo, una forma indesiderata.

Le transizioni allo stato solido

Un materiale può passare da un polimorfo all’altro senza fondere, attraverso una transizione di fase allo stato solido, innescata da temperatura o pressione. Il ferro che cambia struttura scaldandolo (da cubico a corpo centrato a cubico a facce centrate) è alla base dei trattamenti termici dell’acciaio; molte ceramiche e minerali subiscono transizioni che ne cambiano volume e proprietà. Queste transizioni si studiano con tecniche come la calorimetria differenziale (DSC), che rileva il calore assorbito o ceduto, e la diffrazione a temperatura variabile, che «filma» il cambiamento di struttura.

Perché conta nella pratica

Il polimorfismo è una questione di primo piano in molti settori. In farmaceutica determina la solubilità e quindi l’assorbimento del principio attivo, è oggetto di brevetti e di controlli regolatori stringenti: il polimorfo va identificato, controllato in produzione (tipicamente con XRD) e mantenuto stabile. Nei pigmenti cambia colore e potere coprente; negli alimenti (si pensi al burro di cacao del cioccolato) decide consistenza e aspetto; nei materiali influenza prestazioni e durata. Riconoscere e controllare la forma cristallina è perciò una competenza decisiva per chi produce o caratterizza solidi: la stessa molecola, nella forma sbagliata, può diventare un prodotto fuori specifica.

Domande frequenti

Che cos’è il polimorfismo?

È la capacità di una stessa sostanza di cristallizzare in più strutture diverse, dette polimorfi. Pur avendo composizione chimica identica, i polimorfi hanno proprietà fisiche differenti: punto di fusione, densità, durezza, solubilità e colore. Quando riguarda un elemento puro, come il carbonio in diamante e grafite, si parla di allotropia.

Perché diamante e grafite sono così diversi?

Perché, pur essendo entrambi carbonio puro, hanno gli atomi disposti in modo diverso. Nel diamante ogni atomo è legato ad altri quattro in una rete tridimensionale rigidissima; nella grafite gli atomi formano strati che scorrono facilmente l’uno sull’altro. Questa differenza strutturale rende il diamante durissimo e isolante, la grafite morbida e conduttrice.

Quale polimorfo si forma durante la cristallizzazione?

Dipende dalla competizione tra termodinamica e cinetica. Solo una forma è la più stabile, ma spesso cristallizza per prima una forma metastabile, più facile da nucleare, che solo in seguito può convertirsi nella stabile. Il polimorfo ottenuto è quindi controllato dalle condizioni di cristallizzazione: solvente, temperatura, velocità di raffreddamento e presenza di semi cristallini.

Perché il polimorfismo è importante per i farmaci?

Perché la forma cristallina cambia la solubilità e quindi la velocità con cui il principio attivo viene assorbito e la sua efficacia. Una forma può essere più solubile ma instabile, un’altra stabile ma poco solubile. Per questo le agenzie regolatorie richiedono di identificare e controllare il polimorfo, e i produttori lo verificano in produzione con la diffrazione dei raggi X.

Che cos’è una transizione di fase allo stato solido?

È il passaggio di un materiale da un polimorfo all’altro senza fondere, provocato da variazioni di temperatura o pressione. Un esempio classico è il ferro, che cambia struttura cristallina scaldandolo: questo è il fondamento dei trattamenti termici degli acciai. Le transizioni si studiano con calorimetria (DSC) e con diffrazione a temperatura variabile.