The Acridine Polymorph Landscape: Characterization and Selective Control by Additives

अणु ठोस दुनिया के निर्माण खंड हैं, लेकिन वे कठोर ईंटें नहीं हैं जो केवल एक ही तरह से फिट हो सकें। एक ही प्रकार का अणु अक्सर खुद को विभिन्न ठोस संरचनाओं में व्यवस्थित कर सकता है, ठीक वैसे ही जैसे लेगो (Lego) के समान दिखने वाले ईंटों के एक सेट को एक टॉवर, एक दीवार या एक पुल बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है। रसायन विज्ञान की दुनिया में, इन विभिन्न ठोस व्यवस्थाओं को 'पॉलीमॉर्फ्स' (polymorphs) कहा जाता है। जबकि रासायनिक नुस्खा बिल्कुल समान रहता है, अणुओं के जुड़ने का तरीका सब कुछ बदल देता है। एक व्यवस्था नरम और पानी में जल्दी घुलने वाली हो सकती है, जबकि दूसरी कठोर और स्थिर हो सकती है, या एक बिजली का संचालन कर सकती है जबकि दूसरी नहीं। यह उन उद्योगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है जो सटीक सामग्रियों पर निर्भर करते हैं, जैसे कि दवा उद्योग, जहाँ एक दवा एक रूप में काम कर सकती है लेकिन दूसरे रूप में विफल हो सकती है या यहाँ तक कि हानिकारक भी हो सकती है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती न केवल इन विभिन्न रूपों को खोजना है, बल्कि यह समझना भी है कि जब किसी पदार्थ को बनाया जाता है तो यह नियंत्रित कैसे किया जाए कि कौन सा रूप दिखाई दे, और यह पता लगाना है कि प्रक्रिया को वांछित परिणाम की ओर कैसे निर्देशित किया जाए।

शोधकर्ताओं ने 'एक्रिडीन' (acridine) नामक एक अणु की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है, जो एक सपाट, वलय-आकार (ring-shaped) का रसायन है और जिसे भेष बदलने में माहिर माना जाता है। यह कई अलग-अलग आकारों में क्रिस्टलीकृत होने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, जिसमें विज्ञान द्वारा पहले से ही कम से कम आठ विशिष्ट रूप ज्ञात हैं, साथ ही कुछ और भी हैं जिन्हें रिपोर्ट किया गया है लेकिन पूरी तरह से पुष्ट नहीं किया गया है। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने इन रूपों को विभिन्न परिस्थितियों में प्रकट होते और गायब होते देखा है, लेकिन एक रूप दूसरे पर क्यों हावी होता है, इसके नियम निराशाजनक रूप से अस्पष्ट रहे हैं। वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इन संभावनाओं के पूरे परिदृश्य को मैप करने के लिए सावधानीपूर्वक प्रयोगशाला प्रयोगों को उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग के साथ जोड़ा है। वे छिपी हुई संरचनाओं को देखना चाहते थे, उनकी स्थिरता को मापना चाहते थे और यह परीक्षण करना चाहते थे कि क्या अन्य रसायनों की थोड़ी मात्रा जोड़ने से एक विशिष्ट रूप को चुनने के लिए एक 'स्विच' के रूप में कार्य किया जा सकता है।

यह यात्रा प्रयोगशाला से शुरू हुई, जहाँ टीम ने एक्रिडीन को पिघलाया और इसे ठंडा होते हुए देखा ताकि यह देखा जा सके कि क्या विकसित होता है। अतीत में, एक विशिष्ट रूप, जिसे 'फॉर्म VIII' (form VIII) के रूप में जाना जाता है, केवल तभी देखा गया था जब पदार्थ को पिघलाया और ठंडा किया गया था। शोधकर्ताओं ने पहली बार एक घोल (solution) से इस मायावी रूप को सफलतापूर्वक उगाया, जिससे एक नए परिवेश में इसके अस्तित्व की पुष्टि हुई। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे किरणों का उपयोग करके, वे फॉर्म VIII की सटीक परमाणु व्यवस्था निर्धारित करने में सक्षम रहे, जिससे एक पहेली सुलझ गई जो लंबे समय से खुली थी। उन्होंने देखा कि जब एक्रिडीन पिघले हुए पदार्थ से जम जाता है, तो वह केवल एक पथ नहीं चुनता। इसके बजाय, कई रूप एक साथ प्रकट हो सकते हैं, कभी-कभी केक की परतों की तरह एक दूसरे में बढ़ते हुए। उन्होंने देखा कि फॉर्म VIII पहले अंकुरित हुआ, केवल तभी जब वह कुछ स्थानों पर फॉर्म III द्वारा अधिग्रहित कर लिया गया, जबकि फॉर्म IV पतले, सीधे रेशों के रूप में विकसित हुआ। इस अराजक मिश्रण ने सुझाव दिया कि इन रूपों के बीच ऊर्जा का अंतर अत्यंत सूक्ष्म है, जिससे प्रकृति के लिए यह तय करना कठिन हो जाता है कि किसे बनाना है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, टीम ने एक नए प्रकार के कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया के पुराने, अनुमानित तरीकों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक परिष्कृत आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस मॉडल को प्रशिक्षित किया जो एक्रिडीन अणुओं के विशिष्ट व्यवहार पर आधारित था। यह मॉडल एक अत्यधिक सटीक आभासी सूक्ष्मदर्शी की तरह कार्य करता है, जो उन्हें हर संभावित व्यवस्था की ऊर्जा की गणना अत्यधिक सटीकीता के साथ करने की अनुमति देता है। जब उन्होंने ये गणनाएँ कीं, तो उन्होंने पाया कि एक्रिडीन के रूपों का परिदृश्य वास्तव में बहुत 'सपाट' (flat) है। स्थिर रूपों के बीच ऊर्जा का अंतर इतना कम है कि तापमान में मामूली बदलाव भी संतुलन को बदल सकता है। उनके सिमुलेशन ने पुष्टि की कि कमरे के तापमान पर, एक रूप दूसरे की तुलना में थोड़ा अधिक स्थिर होता है, लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्राथमिकता बदल जाती है। इसने प्रायोगिक अवलोकन की व्याख्या की कि विभिन्न तापमानों पर विभिन्न रूप क्यों दिखाई देते हैं और तापमान के साथ वे एक-दूसरे में कैसे परिवर्तित हो जाते हैं। कंप्यूटर मॉडल ने वास्तविक दुनिया के व्यवहार को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि अणुओं का यह जटिल नृत्य सूक्ष्म ऊष्मागतिकीय (thermodynamic) बलों द्वारा संचालित होता है जिन्हें पहले मापना बहुत कठिन था।

अध्ययन का सबसे दिलचस्प हिस्सा यह परीक्षण करना था कि क्या किसी दूसरे रसायन की सूक्ष्म मात्रा जोड़ने से एक्रिडीन को एक विशिष्ट रूप चुनने के लिए मजबूर किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने एक्रिडीन को अठारह विभिन्न योजकों (additives) के साथ मिलाया, जिनमें एंथ्रासीन (anthracene) जैसे अणु शामिल थे जो इसके बहुत समान दिखते हैं, और अन्य जिनका आकार अलग है। उन्होंने पाया कि कुछ रसायनों का छोटा प्रतिशत जोड़ने से एक शक्तिशाली मार्गदर्शक के रूप में कार्य किया। जब उन्होंने एंथ्रासीन मिलाया, तो एक्रिडीन ने 'फॉर्म II' नामक संरचना बनाई, जो योजकों के बिना नहीं देखी जाती है। जब उन्होंने 2,7-डाइहाइड्रॉक्सीनेफ्थलीन (2,7-dihydroxynaphthalene) नामक एक अन्य रसायन को मिलाया, तो एक्रिडीन 'फॉर्म IV' बनाने की ओर स्विच हो गया। टीम ने फिर अपने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग यह समझाने के लिए किया कि ऐसा क्यों हुआ। उन्होंने प्रत्येक एक्रिडीन रूप के क्रिस्टल लैटिस (lattice) में एक योजक अणु को सम्मिलित करने की ऊर्जा लागत की गणना की। परिणामों ने दिखाया कि उस योजक के लिए जिसने फॉर्म II को प्राथमिकता दी, ऊर्जा लागत सबसे कम थी जब इसे उस विशिष्ट संरचना में मिलाया गया था। इसी तरह, फॉर्म IV को पसंद करने वाले योजक ने उस विशेष व्यवस्था में सबसे सहजता से फिट होकर अपनी जगह बनाई।

केवल ऊर्जा के आंकड़ों के अलावा, शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल के आकार और ज्यामिति (geometry) का भी अध्ययन किया। उन्होंने योजक में अणुओं के पैक होने के तरीके की तुलना विभिन्न एक्रिडीन रूपों में उनके पैक होने के तरीके से की। उन्होंने पाया कि फॉर्म II को बढ़ावा देने वाला योजक उस विशिष्ट रूप के लिए एक लगभग पूर्ण संरचनात्मक मिलान था, जो उसी समरूपता (symmetry) और पैकिंग घनत्व को साझा करता था। वह योजक जिसने फॉर्म IV को बढ़ावा दिया, उस रूप की अनूठी ज्यामिति के साथ मेल खाता था, विशेष रूप से इस मामले में कि अणु अपने रासायनिक बंधों को कैसे उन्मुख (orient) करते हैं। यह सुझाव देता है कि योजक एक 'टेम्प्लेट' (template) के रूप में कार्य करके काम करते हैं; वे एक ऐसी सतह या बीज प्रदान करते हैं जो वांछित रूप के समान दिखता है, जिससे एक्रिडीन के अणु स्वाभाविक रूप से उस पैटर्न का अनुसरण करते हैं क्योंकि वे बढ़ते हैं। अध्ययन का निष्कर्ष है कि कौन सा रूप प्रकट होगा, इसका नियंत्रण भाग्य का मामला नहीं है, बल्कि सिस्टम की संरचनात्मक और ऊर्जा संबंधी प्राथमिकताओं के मिलान का परिणाम है। अणुओं के आकार, उनकी व्यवस्था की ऊर्जा और बाहरी योजकों के प्रभाव के बीच इन गहरे संबंधों को समझकर, वैज्ञानिकों के पास अब जटिल सामग्रियों के ठोस रूपों की भविष्यवाणी करने और उन्हें नियंत्रित करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप है। यह कार्य इस बात का व्यापक चित्र प्रदान करता है कि कैसे एक एकल अणु कई रूपों में मौजूद हो सकता है और हम कैसे अपनी आवश्यकता के अनुसार उसे चुनना सीख सकते हैं।