The Acridine Polymorph Landscape: Characterization and Selective Control by Additives

Les molécules sont les briques de construction du monde solide, mais elles ne sont pas des briques rigides qui ne s'assemblent que d'une seule manière. Un seul type de molécule peut souvent s'organiser en différentes structures solides, tout comme un ensemble de briques Lego identiques peut être assemblé pour construire une tour, un mur ou un pont. Dans le monde de la chimie, ces différents arrangements solides sont appelés polymorphes. Bien que la recette chimique reste exactement la même, la façon dont les molécules s'empilent change tout. Un arrangement peut être mou et se dissoudre rapidement dans l'eau, tandis qu'un autre peut être dur et stable, ou l'un peut conduire l'électricité tandis qu'un autre ne le fait pas. Cela importe profondément pour les industries qui dépendent de matériaux précis, comme la médecine, où un médicament peut fonctionner sous une forme, mais échouer ou même devenir nocif sous une autre. Le défi pour les scientifiques n'est pas seulement de trouver ces différentes formes, mais de comprendre comment contrôler laquelle apparaît lorsqu'une substance est fabriquée, et de découvrir comment orienter le processus vers le résultat souhaité.

Les chercheurs ont tourné leur attention vers une molécule appelée acridine, une molécule plate et en forme d'anneau qui est connue pour être une maîtresse du déguisement. Elle est célèbre pour sa capacité à cristalliser sous de nombreuses formes différentes, avec au moins huit formes distinctes déjà connues de la science, plus quelques autres qui ont été signalées mais pas totalement confirmées. Pendant des années, les scientifiques ont observé ces formes apparaître et disparaître selon différentes conditions, mais les règles régissant pourquoi une forme l'emporte sur une autre sont restées frustrantement vagues. Une équipe de scientifiques a maintenant combiné des expériences de laboratoire minutieuses avec une modélisation informatique avancée pour cartographier l'ensemble du paysage de ces possibilités. Ils voulaient voir les structures cachées, mesurer leur stabilité et tester si l'ajout de petites quantités d'autres produits chimiques pouvait agir comme un interrupteur pour sélectionner une forme spécifique.

Le voyage a commencé dans le laboratoire, où l'équipe a fait fondre l'acridine et l'a regardée refroidir pour voir ce qui allait croître. Par le passé, une forme spécifique, connue sous le nom de forme VIII, n'avait été vue que lorsque la substance était fondue puis refroidie. Les chercheurs ont réussi à cultiver cette forme insaisissable à partir d'une solution pour la première fois, confirmant son existence dans un nouveau contexte. En utilisant des microscopes puissants et des rayons X, ils ont pu déterminer l'arrangement atomique exact de la forme VIII, résolvant ainsi un puzzle qui était resté ouvert. Ils ont observé que lorsque l'acridine gèle à partir d'un bain de fusion, elle ne choisit pas un seul chemin. Au lieu de cela, plusieurs formes peuvent apparaître simultanément, croissant parfois les unes dans les autres comme les couches d'un gâteau. Ils ont vu la forme VIII germer en premier, pour être ensuite supplantée par la forme III à certains endroits, tandis que la forme IV poussait sous forme de fibres fines et droites. Ce mélange chaotique suggérait que les différences d'énergie entre ces formes sont incroyablement faibles, rendant difficile pour la nature la décision de laquelle construire.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, l'équipe s'est tournée vers un nouveau type de simulation informatique. Au lieu de s'appuyer sur de vieilles approximations grossières de l'interaction entre les atomes, ils ont entraîné un modèle d'intelligence artificielle sophistiqué sur le comportement spécifique des molécules d'acridine. Ce modèle agit comme un microscope virtuel hautement précis, leur permettant de calculer l'énergie de chaque arrangement possible avec une grande précision. Lorsqu'ils ont lancé ces calculs, ils ont découvert que le paysage des formes de l'acridine est effectivement très plat. Les différences d'énergie entre les formes stables sont si infimes qu'un léger changement de température peut faire basculer l'équilibre. Leurs simulations ont confirmé qu'à température ambiante, une forme est légèrement plus stable qu'une autre, mais qu'à mesure que la température augmente, la préférence change. Cela expliquait l'observation expérimentale selon laquelle différentes formes apparaissent à différentes températures et qu'elles peuvent se transformer les unes en les autres à mesure que la chaleur change. Les modèles informatiques ont reproduit avec succès le comportement du monde réel, montrant que la danse complexe des molécules est pilotée par des forces thermodynamiques subtiles qui étaient auparavant trop difficiles à mesurer.

La partie la plus intrigante de l'étude a consisté à tester si l'ajout d'une infime quantité d'une substance chimique différente pouvait forcer l'acridine à choisir une forme spécifique. Les chercheurs ont mélangé l'acridine avec dix-huit additifs différents, incluant des molécules qui lui ressemblent beaucoup, comme l'anthracène, et d'autres ayant des formes différentes. Ils ont découvert que l'ajout d'un faible pourcentage de certains produits chimiques agissait comme un guide puissant. Lorsqu'ils ont ajouté de l'anthracène, l'acridine a formé la structure connue sous le nom de forme II, un résultat qui n'est pas observé sans additifs. Lorsqu'ils ont ajouté un autre produit chimique appelé 2,7-dihydroxynaphtalène, l'acridine est passée à la formation de la forme IV. L'équipe a ensuite utilisé leurs modèles informatiques pour expliquer pourquoi cela s'est produit. Ils ont calculé le coût énergétique de l'insertion d'une molécule d'additif dans le réseau cristallin de chaque forme d'acridine. Les résultats ont montré que pour l'additif qui favorisait la forme II, le coût énergétique était le plus bas lorsqu'il était mélangé à cette structure spécifique. De même, l'additif qui favorisait la forme IV s'insérait plus confortablement dans cet arrangement particulier.

Au-delà des simples chiffres énergétiques, les chercheurs ont examiné la forme et la géométrie des cristaux. Ils ont comparé la façon dont les molécules sont compactées dans l'additif avec la façon dont elles sont compactées dans les différentes formes d'acridine. Ils ont constaté que l'additif qui promouvait la forme II était une correspondance structurelle quasi parfaite avec cette forme spécifique, partageant la même symétrie et la même densité de compactage. L'additif qui promouvait la forme IV correspondait à la géométrie unique de cette forme, particulièrement dans la manière dont les molécules orientaient leurs liaisons chimiques. Cela suggère que les additifs fonctionnent en agissant comme un gabarit ; ils fournissent une surface ou une graine qui ressemble tellement à la forme désirée que les molécules d'acridine suivent naturellement ce modèle lors de leur croissance. L'étude conclut que le contrôle de l'apparition d'une forme n'est pas une question de chance, mais le résultat d'une adéquation entre les préférences structurelles et énergétiques du système. En comprenant ces liens profonds entre la forme des molécules, l'énergie de leur arrangement et l'influence des additifs étrangers, les scientifiques disposent désormais d'une feuille de route plus claire pour prédire et contrôler les formes solides de matériaux complexes. Ce travail offre une image complète de la manière dont une seule molécule peut exister de multiples façons et comment nous pouvons apprendre à choisir celle dont nous avons besoin.