Gheață amorfă

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 18 noiembrie 2020; verificările necesită 4 modificări .

Gheața amorfa  este apa în starea unei substanțe amorfe solide în care moleculele de apă sunt aranjate aleatoriu, ca atomii din sticla obișnuită. Cel mai adesea, în natură, gheața este într-o stare policristalină . Gheața amorfa este diferită prin faptul că îi lipsește o ordine pe distanță lungă a structurii cristaline .

Gheața amorfă este obținută prin răcirea extrem de rapidă a apei lichide (cu o viteză de aproximativ 1.000.000 K pe secundă), astfel încât moleculele să nu aibă timp să formeze o rețea cristalină .

Așa cum există multe forme cristaline de gheață (în prezent, sunt cunoscute optsprezece modificări ), există și diferite forme de gheață amorfă, care diferă în principal ca densitate .

Modalități de obținere

Aproape orice substanță cristalină poate fi transferată din topitură într-o stare amorfă metastabilă prin răcire rapidă. Prin urmare, cheia pentru obținerea gheții amorfe este viteza de răcire. Apa lichidă trebuie răcită la temperatura de tranziție sticloasă (aproximativ 136 K sau -137 °C) în câteva milisecunde pentru a evita nuclearea spontană a cristalelor.

Presiunea este un alt factor important în obținerea gheții amorfe. În plus, prin schimbarea presiunii, este posibil să se transforme un tip de gheață amorfă în altul.

La apă pot fi adăugate substanțe chimice speciale - crioprotectanți , care îi scad punctul de îngheț și îi cresc vâscozitatea, ceea ce previne formarea cristalelor. Tranziția sticloasă fără adăugarea de crioprotectori se realizează cu o răcire foarte rapidă. Aceste metode sunt utilizate în biologie pentru crioconservarea celulelor și țesuturilor.

Soiuri de gheață amorfă

Gheața amorfă există în trei forme principale: gheață amorfă cu densitate scăzută (LDA sau LDA), care se formează la presiunea atmosferică sau sub presiunea atmosferică, gheață amorfă cu densitate mare (HDA sau HDA) și gheață amorfă cu densitate foarte mare (ALOD sau VHDA).

Gheață amorfa de densitate scăzută

Când vaporii de apă au fost depuși pe o placă de cupru răcită sub 163 K, s-a obținut pentru prima dată gheață amorfă cu o densitate de 0,93 g/cm³, cunoscută și sub denumirea de apă solidă amorfă sau apă sticloasă. Acum, în laboratoare, ALNP se obține prin aceeași metodă la temperaturi sub 120 K. Evident, în spațiu, astfel de gheață se formează în mod similar pe diferite suprafețe reci, de exemplu, particule de praf. Se presupune că această gheață este destul de comună pentru compoziția cometelor și este prezentă pe planetele exterioare . [unu]

Dacă modificați temperatura substratului și rata de depunere, puteți obține gheață cu o densitate diferită. Deci, la 77 K și o viteză de depunere de 10 mg pe oră, se obține gheață cu o densitate de 0,94 g/cm³, iar la 10 K și o viteză de 4 mg pe oră, 1,1 g/cm³, și structura acesteia, deși lipsit de ordine pe distanță lungă, se dovedește a fi mult mai dificil decât gheața amorfa anterioară. Încă nu este clar dacă aceeași modificare a gheții amorfe (cu o densitate de 0,94 g/cm³) se formează în timpul încălzirii HDL și în timpul depunerii din vapori sau dacă acestea diferă.

Gheață amorfă de înaltă densitate

Gheața amorfă de înaltă densitate poate fi obținută prin stoarcerea gheții I h la temperaturi sub ~140 K. La o temperatură de 77 K, HDL se formează din gheața naturală obișnuită I h la presiuni de aproximativ 1,6 GPa [2] , iar din LDLP la presiuni de aproximativ 0. 5 GPa [3] . La o temperatură de 77 K și o presiune de 1 GPa, densitatea HDL este de 1,3 g/cm³. Dacă presiunea scade la presiunea atmosferică, densitatea HDL va scădea de la 1,3 g/cm³ la 1,17 g/cm³ [2] , dar la o temperatură de 77 K rămâne pentru o perioadă de timp arbitrar.

Dacă totuși, gheața de mare densitate este încălzită la presiune normală, ea nu se va transforma în gheața originală I h , ci va deveni o altă modificare a gheții amorfe, de data aceasta cu o densitate scăzută, 0,94 g/cm³. Această gheață, la încălzirea ulterioară în regiunea de 150 K, se va cristaliza, dar din nou nu în gheața originală I h , ci va prelua sistemul cubic de gheață I c .

Gheață amorfă de densitate foarte mare

HDL a fost descoperit în 1996, când s-a descoperit că, dacă HDL este încălzit la 160 K la o presiune în intervalul 1 până la 2 GPa, atunci devine mai dens, iar la presiunea atmosferică densitatea sa este de 1,26 g/cm³ [4] [4] [ 4]. 5 ] .

Unele caracteristici

Aplicație

Gheața amorfa este folosită în unele experimente științifice, în special criomicroscopia electronică , care permite studiul moleculelor biologice într-o stare apropiată de starea lor naturală în apă lichidă [6] . probele biogene care conțin apă sunt vitrificate cu lichide criogenice precum azot lichid sau heliu lichid. Astfel, structura naturală a probelor poate fi păstrată fără a fi alterată de cristalele de gheață.

Link -uri

Note

  1. ↑ Estimarea temperaturii de tranziție apă-sticlă bazată pe experimente cu apă sticloasă hiperstinsă Arhivat 24 iulie 2008 la Wayback Machine of Science (înregistrare necesară).
  2. ↑ 1 2 O. Mishima și L. D. Calvert și E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
  3. ↑ O. Mishima, L. D. Calvert și E. Whalley, Nature 314, 76 (1985).
  4. ↑ O. Mishima, Nature, 384, 6069 pp. 546-549 (1996).
  5. ↑ Loerting, T., Salzmann, C., Kohl, I., Mayer, E., Hallbrucker, A., A 2nd distinct structural 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 și P. Schultz. Microscopia crio-electronică a specimenelor vitrificate. Î. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).
 Faze de gheață