Kristaps Saršūns: Viena no kristālinženierijas šķautnēm – kas veicina cieto šķīdumu veidošanos?

Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultātes pētnieks Kristaps Saršūns izstrādā pētījumu, kurā, izmantojot gan eksperimentālos pētījumus, gan kvantu ķīmijas aprēķinus, tiek identificēti, kādi ir galvenie faktori, kas veicina cieto šķīdumu veidošanos starp uzbūves ziņā līdzīgām organiskajām molekulām, lai varētu iegūt kristalizācijas produktus ar modulētām fizikālķīmiskajām īpašībām. Ar sava pētījuma galvenajām atziņām pētnieks iepazīstināja klausītājus LU Jauno tehnoloģiju un inovāciju dienas Zināšanu agorā.

Cietais šķīdums ir homogēns cietu vielu maisījums (viena kristāliska fāze), kas sastāv no dažādām vielām, kurā viena vai vairāku veidu molekulas var aizvietot oriģinālās molekulas bez būtiskām kristāliskās struktūras izmaiņām.

Cietie šķīdumi tiek iedalīti divos veidos – ar ierobežotu komponentu šķīdību, kad ir iespējams aizvietot tikai daļu no oriģinālās vielas molekulām, un ar neierobežotu komponentu šķīdību, kad cietais šķīdums spēj veidoties ar jebkādu komponentu sastāvu. Pēdējos gados kristālinženierijā ir pieaugusi interese par to, kādi ir noteicošie faktori, kas veicina šo fāžu veidošanos un kāds no tā varētu būt ieguvums.

“Ieguvums ir diezgan nozīmīgs – šādā veidā mēs spējam iegūt jaunus tehnoloģiski izdevīgus kristāliskos materiālus, kuriem varam “pieregulēt” fizikālķīmiskās īpašības. Kā piemērs ir šķīdība – mēs varam mainīt organisko vielu šķīdību. Šīs īpašības maiņa ir noderīga farmaceitiskām vielām, kurām nepieciešams piemeklēt šķīdību, kas nodrošina efektīvu uzsūkšanos organismā. Piemēram, ja viela A ir mazāk šķīstoša, bet otra viela B ir ļoti šķīstoša, to maisījumā varam panākt, ka viela A kļūst šķīstoša un šādu produktu  bieži var izmantot optimālāku farmaceitisko preparātu izstrādē,” pārliecināts pētnieks.

Nākamā īpašība ir luminiscence, un cieto šķīdumu veidošanās sniedz iespēju variēt ar organisko vielu krāsojumiem. Piemēram, no zilas krāsas materiāla iegūt dzeltenu vai oranžu. Un visbeidzot, cieto šķīdumu monokristālus var izmantot optoelektronikā, proti, pusvadītāju un nelineāro optikas materiālu izstrādē.

Pirms ķeršanās pie eksperimentālās daļas, pētniekam ar dažādiem cieto šķīdumu dizainēšanas rīkiem bija nepieciešams pārbaudīt, kā molekulas savā starpā ir savienotas kristālā un kas notiks, ja kristāliskajā režģī oriģinālmolekula tiktu aizvietota ar kādu citu struktūras ziņā līdzīgu molekulu – vai šādi netiks izjauktas dominējošās starpmolekulārās mijiedarbības un vai šāda fāze būs gana stabila, lai spētu veidoties. Šim nolūkam tika izmantotas vairākas pieejas, viena no tām – Hiršfelda virsmas analīze.

“Vai tas nebūtu vienreizēji, ja mēs spētu paredzēt kristalizācijas produktu pirms mēs beram kopā šīs vielas? Tas palīdzētu mums jau iepriekš zināt, vai attiecīgā fāze (šajā gadījumā cietais šķīdums) veidosies vai nē,” uzsver pētnieks.

Pētījumā tika veikti arī kvantu ķīmiskie aprēķini, kurus var izmantot, lai pirms kristalizācijas veikšanas jau prognozētu, vai iedomātais produkts var veidoties vai nē. Šim nolūkam tika rēķināta kristāliskā režģa enerģija oriģinālstruktūrai, kā arī struktūrām, kurās kristālrežģī aizvietotas daļa no molekulām, kā arī struktūrām, kurās aizvietotas visas molekulas.

“Tad šos rezultātus salīdzinot savā starpā, mēs varam redzēt, kā izmainās enerģija, piemēram, ja tā kļūst izteikti augstāka, tas nozīmē, ka struktūra nav enerģētiski izdevīga un attiecīgā fāze visticamāk neveidosies, savukārt, ja tā kļūst zemāka – struktūra ir enerģētiski izdevīga un ir liela iespējamība, ka šāda fāze spēs veidoties. Tāpat kā iepriekš, var izmantot arī starpmolekulāro mijiedarbību enerģijas aprēķināšanu, kas ļauj iegūt papildus informāciju par kristālisko fāžu stabilitāti,” skaidro K. Saršūns.

Pētnieka disertācijas darba mērķis ir iegūt organiskos materiālus ar uzlabotām īpašībām. Pētījuma ietvaros tiek pētītas divas modeļvielas, kuras izvēlētas pamatojoties uz tām istabas temperatūrā novērojamo luminiscences parādību, kā arī to augsto savstarpējo līdzību – molekulas atšķiras tikai ar halogēna atomu molekulārajā struktūrā, kas būtiski neietekmē dominējošās starpmolekulārās mijiedarbības.

“No pētījuma izriet secinājums - līdz ar komponentu attiecības maiņu kristalizācijā var panākt izmaiņas cieto šķīdumu īpašības, un izmaiņas sastāvā rezultējas ar izmaiņām luminiscences īpašībā,” pamato K. Saršūns.

Nākotnē cietie šķīdumi varētu tikt pielietoti tehnoloģiski nozīmīgu kristālisku materiālu izstrādē. Kā vienu no šobrīd aktuāliem piemēriem var minēt gaismas diodes, kas tiek izmantotas gan mobilo telefonu, gan televizoru ekrānos.