Amorfinen jää

Amorfinen jää  on kiinteän amorfisen aineen tilassa olevaa vettä, jossa vesimolekyylit ovat sattumanvaraisesti järjestetyt, kuten atomit tavallisessa lasissa. Useimmiten luonnossa jää on monikiteisessä tilassa. Amorfinen jää on erilainen siinä mielessä, että siitä puuttuu kiderakenteen pitkän kantaman järjestys .

Amorfista jäätä saadaan jäähdyttämällä erittäin nopeasti nestemäistä vettä (nopeudella noin 1 000 000 K sekunnissa), joten molekyyleillä ei ole aikaa muodostaa kidehilaa .

Aivan kuten jäällä on monia kiteisiä muotoja (tällä hetkellä tunnetaan kahdeksantoista muunnelmaa ), on myös erilaisia ​​amorfisen jään muotoja, jotka eroavat pääasiassa tiheydeltään .

Tapoja saada

Melkein mikä tahansa kiteinen aine voidaan siirtää sulasta metastabiiliin amorfiseen tilaan nopealla jäähdytyksellä. Siksi avain amorfisen jään saamiseksi on jäähtymisnopeus. Nestemäinen vesi on jäähdytettävä lasittumislämpötilaansa (noin 136 K tai -137 °C) muutamassa millisekunnissa, jotta vältetään spontaani kiteen ytimtyminen.

Paine on toinen tärkeä tekijä amorfisen jään saamiseksi. Lisäksi painetta muuttamalla on mahdollista muuttaa yhden tyyppinen amorfinen jää toiseksi.

Veteen - jäätymisenestoaineisiin voidaan lisätä erikoiskemikaaleja , jotka alentavat sen jäätymispistettä ja lisäävät sen viskositeettia, mikä estää kiteiden muodostumisen. Lasimuutos ilman jäätymisenestoaineiden lisäämistä saavutetaan erittäin nopealla jäähdytyksellä. Näitä menetelmiä käytetään biologiassa solujen ja kudosten kylmäsäilytykseen .

Amorfisen jään lajikkeet

Amorfista jäätä on kolmessa päämuodossa: matalatiheyksinen amorfinen jää (LDA tai LDA), joka muodostuu ilmakehän paineessa tai sen alapuolella, suuritiheyksinen amorfinen jää (HDA tai HDA) ja erittäin tiheä amorfinen jää (ALOD tai VHDA).

Pienitiheyksinen amorfinen jää

Kun vesihöyryä kerrostettiin alle 163 K:n lämpötilaan jäähdytetylle kuparilevylle, saatiin ensimmäistä kertaa amorfista jäätä, jonka tiheys oli 0,93 g/cm³, joka tunnetaan myös nimellä amorfinen kiinteä vesi eli lasimainen vesi. Nyt laboratorioissa ALNP saadaan samalla menetelmällä alle 120 K:n lämpötiloissa. On selvää, että avaruudessa jää muodostuu samalla tavalla erilaisille kylmille pinnoille, esimerkiksi pölyhiukkasille. Tämän jään oletetaan olevan melko yleinen komeettojen koostumukselle ja sitä esiintyy ulkoplaneetoilla . [yksi]

Jos muutat alustan lämpötilaa ja kerrostumisnopeutta, voit saada eri tiheyttä jäätä. Joten 77 K:ssa ja laskeutumisnopeudella 10 mg/tunti saadaan jäätä, jonka tiheys on 0,94 g/cm³, ja 10 K:ssa ja nopeudella 4 mg/tunti 1,1 g/cm³ ja sen rakenne, vaikka vailla pitkän kantaman järjestystä, osoittautuu paljon vaikeammaksi kuin edellinen amorfinen jää. Vielä ei ole selvää, muodostuuko HDL:n kuumentuessa ja höyrystä laskeutuessa sama amorfisen jään modifikaatio (tiheydellä 0,94 g/cm³), vai eroavatko ne toisistaan.

Suuritiheyksinen amorfinen jää

Suuritiheyksistä amorfista jäätä voidaan saada puristamalla jäätä I h alle ~140 K:n lämpötiloissa. 77 K:n lämpötilassa HDL muodostuu tavallisesta luonnonjäästä I h noin 1,6 GPa:n paineessa [2] ja LDLP:stä paineet noin 0,5 GPa [3] . 77 K:n lämpötilassa ja 1 GPa:n paineessa HDL-tiheys on 1,3 g/cm³. Jos paine pudotetaan ilmakehän paineeseen, HDL-tiheys laskee 1,3 g/cm³:sta 1,17 g/cm³:iin [2] , mutta 77 K:n lämpötilassa se pysyy mielivaltaisen pitkään.

Jos korkeatiheyksistä jäätä kuitenkin kuumennetaan normaalipaineessa, se ei muutu alkuperäiseksi jääksi I h , vaan siitä tulee toinen muunnelma amorfisesta jäästä, tällä kertaa alhaisella tiheydellä, 0,94 g/cm³. Tämä jää kiteytyy edelleen kuumennettaessa 150 K:n alueella, mutta ei taaskaan alkuperäiseksi jääksi I h , vaan se ottaa jään I c kuutiojärjestelmän .

Erittäin tiheä amorfinen jää

HDL löydettiin vuonna 1996, jolloin havaittiin, että jos HDL kuumennetaan 160 K:n lämpötilaan 1-2 GPa:n paineessa, se tihenee ja ilmakehän paineessa sen tiheys on 1,26 g/cm³ [4] [ 5] .

Jotkut ominaisuudet

• Raskas amorfinen jää voisi uppoaa tavalliseen veteen, mutta näin ei tapahdu: hieman lämmetessään ne muuttuvat kiteiseksi jääksi, jonka tiheys on pienempi kuin veden, ja se kelluu ilman aikaa sulaa. Tarkkaan ottaen sana "sulaminen" ei sovellu amorfiselle jäälle, koska tämä prosessi tapahtuu lämpötila-alueella, jota englanniksi kutsutaan "pehmenemiseksi" (pehmenemiseksi).

• Yksi ratkaisemattomista ongelmista liittyy amorfisten jäätiköiden sulamiseen. Jään tilan faasikaaviossa matala- ja suuritiheyksisten amorfisten jääten välinen raja ulottuu myös nestefaasin alueelle. Tästä seuraa, että kunkin jään sulamisen pitäisi tuottaa vastaavasti vähemmän ja tiheämpää vettä, ja näiden kahden veden ominaistilavuuksien ero voi olla 20 %. Tämän sulamisen lämpötila on alueella 130 - 200 K (paineesta riippuen). Voidaan olettaa, että on toinen kohta, jossa kolme nestefaasia esiintyy rinnakkain: kaksi vastaa pehmennettyä LDA:ta ja HDL:ää ja yksi vastaa tavallista nestefaasia. Sen koordinaatit vaihekaaviossa ovat 0,1 GPa ja 200 K. Amorfisia jäätä ei ole mahdollista muuttaa suoraan nesteeksi; kun ne kuumennetaan noin 150 K:een, niistä tulee kiteistä jäätä. Ja se sulaa paljon korkeammassa lämpötilassa.

Sovellus

Amorfista jäätä käytetään joissakin tieteellisissä kokeissa, erityisesti elektronikryomikroskopiassa , joka mahdollistaa biologisten molekyylien tutkimisen tilassa, joka on lähellä niiden luonnollista tilaa nestemäisessä vedessä [6] . vettä sisältävät biogeeniset näytteet lasitetaan kryogeenisilla nesteillä, kuten nestemäisellä typellä tai nestemäisellä heliumilla. Näin näytteiden luonnollinen rakenne voidaan säilyttää ilman, että jääkiteet muuttavat sitä.

Linkit

• S. M. Komarova Korkeapaineiset jääkuviot – Suosittu jäätyypeistä, mukaan lukien amorfinen
• Kansainvälinen tutkijaryhmä Yhdysvalloista ja Kanadasta on paljastanut amorfisen jään epänormaalit ominaisuudet // Lenta. Ru , 28. toukokuuta 2019
• Chaplin, Martin. Amorfinen jää ja lasimainen vesi . Vesirakenne ja tiede (23. kesäkuuta 2008). Haettu 22. helmikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 25. maaliskuuta 2012. (määrätön)
• Tietoja ALOVP-  tutkimuksesta
• ALVP avaruudessa  (englanniksi)
•  PWA :n rakenteet

Muistiinpanot

1. ↑ Arvio vesi-lasittumislämpötilasta hypersammutetun lasimaisen veden kokeiden perusteella . Arkistoitu 24. heinäkuuta 2008 Wayback Machine of Scienceen (vaatii rekisteröitymisen).
2. ↑ 1 2 O. Mishima ja L. D. Calvert ja E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
3. ↑ O. Mishima, L. D. Calvert ja E. Whalley, Nature 314, 76 (1985).
4. ↑ O. Mishima, Nature, 384, 6069, s. 546-549 (1996).
5. ↑ Loerting, T., Salzmann, C., Kohl, I., Mayer, E., Hallbrucker, A., HDA:n toinen erillinen rakenteellinen tila 77 K:ssa ja 1 baarissa, PhysChemChemPhys 3:5355-5357. (2001).
6. ↑ Dubochet, J., M. Adrian, JJ Chang, JC Homo, J. Lepault, A.W. McDowell ja P. Schultz. Lasittujen näytteiden kryoelektronimikroskooppi. K. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).