Amorf jég

Az amorf jég szilárd amorf  anyag állapotú víz , amelyben a vízmolekulák véletlenszerűen helyezkednek el, mint az atomok a közönséges üvegben. A természetben a jég leggyakrabban polikristályos állapotban van. Az amorf jég abban különbözik, hogy hiányzik a kristályszerkezet hosszú távú rendje .

Az amorf jeget a folyékony víz rendkívül gyors lehűtésével (körülbelül 1 000 000 K /s sebességgel) állítják elő, így a molekuláknak nincs idejük kristályrácsot kialakítani .

Ahogyan a jégnek számos kristályos formája létezik (jelenleg tizennyolc módosulata ismert ), az amorf jégnek is vannak különböző formái, amelyek főként sűrűségükben különböznek egymástól .

Megszerzésének módjai

Szinte bármilyen kristályos anyag gyors hűtéssel átvihető az olvadékból metastabil amorf állapotba. Ezért az amorf jég előállításának kulcsa a lehűlés sebessége. A folyékony vizet néhány ezredmásodperc alatt üvegesedési hőmérsékletre (körülbelül 136 K vagy –137 °C) kell lehűteni, hogy elkerüljük a spontán kristálymagképződést.

A nyomás egy másik fontos tényező az amorf jég előállításában. Ezenkívül a nyomás változtatásával lehetséges az egyik amorf jégfajtát egy másikká alakítani.

Speciális vegyszerek adhatók a vízhez - krioprotektánsokhoz , amelyek csökkentik a fagyáspontját és növelik a viszkozitását, ami megakadályozza a kristályok képződését. A fagyvédő anyagok hozzáadása nélküli üvegátmenet nagyon gyors hűtéssel érhető el. Ezeket a módszereket a biológiában használják sejtek és szövetek mélyhűtésére .

Az amorf jég fajtái

Az amorf jég három fő formában létezik: alacsony sűrűségű amorf jég (LDA vagy LDA), amely légköri nyomáson vagy az alatt képződik, nagy sűrűségű amorf jég (HDA vagy HDA) és nagyon nagy sűrűségű amorf jég (ALOD vagy VHDA).

Alacsony sűrűségű amorf jég

Amikor 163 K alá hűtött rézlemezre vízgőzt raktak le, először 0,93 g/cm³ sűrűségű amorf jeget kaptak, amelyet amorf szilárd víznek vagy üveges víznek is neveznek. Jelenleg a laboratóriumokban az ALNP-t ugyanezzel a módszerrel állítják elő 120 K alatti hőmérsékleten. Nyilvánvaló, hogy az űrben az ilyen jég hasonló módon képződik különféle hideg felületeken, például porszemcséken. Feltételezik, hogy ez a jég meglehetősen gyakori az üstökösök összetételében, és jelen van a külső bolygókon . [egy]

Ha megváltoztatja az aljzat hőmérsékletét és a lerakódási sebességet, akkor eltérő sűrűségű jeget kaphat. Tehát 77 K-en és 10 mg/óra lerakódási sebesség mellett 0,94 g/cm³ sűrűségű jeget kapunk, 10 K-en pedig 4 mg/óra sebességgel 1,1 g/cm³-t és szerkezetét, bár mentes a hosszú távú rendtől, sokkal nehezebbnek bizonyul, mint a korábbi amorf jég. Még mindig nem világos, hogy a HDL hevítése és gőzből történő lerakódása során az amorf jég azonos módosulata (sűrűsége 0,94 g/cm³) képződik-e, vagy eltérnek egymástól.

Nagy sűrűségű amorf jég

Nagy sűrűségű amorf jeget nyerhetünk I h jég préselésével ~140 K alatti hőmérsékleten. 77 K hőmérsékleten HDL képződik közönséges természetes jégből I h körülbelül 1,6 GPa nyomáson [2] , LDLP-ből pedig kb. körülbelül 0,5 GPa nyomás [3] . 77 K hőmérsékleten és 1 GPa nyomáson a HDL sűrűsége 1,3 g/cm³. Ha a nyomást atmoszférikus nyomásra csökkentjük, a HDL sűrűsége 1,3 g/cm³-ről 1,17 g/cm³-re csökken [2] , de 77 K hőmérsékleten tetszőlegesen hosszú ideig megmarad.

Ha azonban a nagy sűrűségű jeget normál nyomáson hevítik, akkor nem válik az eredeti jéggé I h , hanem az amorf jég újabb módosulatává válik, ezúttal alacsony, 0,94 g/cm³ sűrűséggel. Ez a jég 150 K körüli további melegítés hatására kikristályosodik, de ismét nem az eredeti I h jéggé , hanem felveszi az I c jég köbrendszerét .

Nagyon nagy sűrűségű amorf jég

A HDL-t 1996-ban fedezték fel, amikor felfedezték, hogy ha a HDL-t 160 K-re hevítik 1-2 GPa nyomáson, akkor sűrűbbé válik, és légköri nyomáson a sűrűsége 1,26 g/cm³ [4] [ 5 ] .

Néhány szolgáltatás

• A nehéz amorf jég jól elsüllyedhet a közönséges vízben, de ez nem történik meg: enyhén felmelegedve kristályos jéggé alakulnak, amelynek sűrűsége kisebb lesz, mint a víz, és felúszik anélkül, hogy ideje megolvadna. Szigorúan véve az "olvadás" szó nem alkalmazható az amorf jégre, mivel ez a folyamat a hőmérsékleti tartományban megy végbe, amit angolul "puhításnak" (softening) neveznek.

• Az egyik megoldatlan probléma az amorf jég olvadásával kapcsolatos. A jégállapot fázisdiagramján a kis és nagy sűrűségű amorf jegek határa a folyadékfázis tartományába is kiterjed. Ebből az következik, hogy az egyes jégtáblák olvadása során kisebb és sűrűbb víz keletkezik, és a fajlagos térfogatok különbsége e két víz esetében elérheti a 20%-ot. Ennek az olvadásnak a hőmérséklete a 130 és 200 K közötti tartományban van (a nyomástól függően). Feltételezhető, hogy van egy másik pont, ahol három folyadékfázis létezik: kettő a lágyított LDA-nak és HDL-nek, egy pedig a szokásos folyadékfázisnak felel meg. Koordinátái a fázisdiagramon 0,1 GPa és 200 K. Az amorf jeget nem lehet közvetlenül folyadékká alakítani; körülbelül 150 K-re hevítve kristályos jéggé válnak. És sokkal magasabb hőmérsékleten megolvad.

Alkalmazás

Az amorf jeget egyes tudományos kísérletekben használják, különösen az elektronkriomikroszkópiában , amely lehetővé teszi biológiai molekulák tanulmányozását olyan állapotban, amely közel áll a folyékony vízben lévő természetes állapotukhoz [6] . a vizet tartalmazó biogén mintákat kriogén folyadékokkal, például folyékony nitrogénnel vagy folyékony héliummal üvegesítik. Így a minták természetes szerkezete megőrizhető anélkül, hogy a jégkristályok megváltoztatnák.

Linkek

• S. M. Komarova Nagynyomású jégmintázatok — Népszerű a jégfajtákról, beleértve az amorfot is
• Az USA-ból és Kanadából származó tudósok nemzetközi csoportja feltárta az amorf jég rendellenes tulajdonságait // Lenta. Ru , 2019. május 28
• Chaplin, Martin. Amorf jég és üveges víz . Vízszerkezet és tudomány (2008. június 23.). Letöltve: 2009. február 22. Az eredetiből archiválva : 2012. március 25.. (határozatlan)
• Az ALOVP  kutatásról
• ALVP az űrben  (angol)
•  A PWA struktúrái

Jegyzetek

1. ↑ A víz-üvegesedés átmeneti hőmérsékletének becslése hiperhűtött üveges vízzel végzett kísérletek alapján Archiválva : 2008. július 24. a Wayback Machine of Science -nél (regisztráció szükséges).
2. ↑ 1 2 O. Mishima és L. D. Calvert és E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
3. ↑ O. Mishima, L. D. Calvert és E. Whalley, Nature 314, 76 (1985).
4. ↑ O. Mishima, Nature, 384, 6069, 546-549 (1996).
5. ↑ Loerting, T., Salzmann, C., Kohl, I., Mayer, E., Hallbrucker, A., A 2nd different structure state of HDA at 77 K and 1 bar, PhysChemChemPhys 3:5355-5357. (2001).
6. ↑ Dubochet, J., M. Adrian, JJ Chang, JC Homo, J. Lepault, A. W. McDowell és P. Schultz. Üvegesített minták krio-elektron mikroszkópja. Q. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).