Amorf is

Amorf is  är vatten i tillståndet av ett fast amorft ämne där vattenmolekyler är slumpmässigt ordnade, som atomer i vanligt glas. Oftast i naturen är is i ett polykristallint tillstånd. Amorf is är annorlunda genom att den saknar en långvägsordning av kristallstrukturen .

Amorf is erhålls genom extremt snabb kylning av flytande vatten (med en hastighet av cirka 1 000 000 K per sekund), så att molekylerna inte hinner bilda ett kristallgitter .

Precis som det finns många kristallina former av is (för närvarande är arton modifieringar kända ), finns det också olika former av amorf is, som huvudsakligen skiljer sig åt i densitet .

Sätt att få

Nästan vilken kristallin substans som helst kan överföras från smältan till ett metastabilt amorft tillstånd genom snabb kylning. Därför är nyckeln till att erhålla amorf is kylningshastigheten. Flytande vatten måste kylas till dess glastemperatur (cirka 136 K eller -137 °C) inom några millisekunder för att undvika spontan kristallkärnbildning.

Trycket är en annan viktig faktor för att få amorf is. Genom att ändra trycket är det dessutom möjligt att förvandla en typ av amorf is till en annan.

Speciella kemikalier kan läggas till vatten - kryoskyddsmedel , som sänker dess fryspunkt och ökar dess viskositet, vilket förhindrar bildandet av kristaller. Glasövergång utan tillsats av kryoskyddsmedel uppnås med mycket snabb kylning. Dessa metoder används inom biologin för kryokonservering av celler och vävnader.

Variationer av amorf is

Amorf is finns i tre huvudformer: amorf is med låg densitet (LDA eller LDA), som bildas vid eller under atmosfärstryck, amorf is med hög densitet (HDA eller HDA) och amorf is med mycket hög densitet (ALOD eller VHDA).

Amorf is med låg densitet

När vattenånga avsattes på en kopparplatta kyld under 163 K erhölls för första gången amorf is med en densitet på 0,93 g/cm³, även känt som amorft fast vatten, eller glasartat vatten. Nu i laboratorier erhålls ALNP med samma metod vid temperaturer under 120 K. Uppenbarligen, i rymden, bildas sådan is på liknande sätt på olika kalla ytor, till exempel dammpartiklar. Det antas att denna is är ganska vanlig för sammansättningen av kometer och finns på de yttre planeterna . [ett]

Om du ändrar substrattemperaturen och deponeringshastigheten kan du få is med en annan densitet. Så vid 77 K och en avsättningshastighet på 10 mg per timme erhålls is med en densitet på 0,94 g/cm³, och vid 10 K och en hastighet av 4 mg per timme, 1,1 g/cm³, och dess struktur, även om saknar långväga ordning, visar sig vara mycket svårare än tidigare amorf is. Det är fortfarande inte klart om samma modifiering av amorf is (med en densitet på 0,94 g/cm³) bildas under uppvärmning av HDL och under avsättning från ånga, eller om de skiljer sig åt.

Amorf is med hög densitet

Amorf is med hög densitet kan erhållas genom att pressa is I h vid temperaturer under ~140 K. Vid en temperatur på 77 K bildas HDL av vanlig naturis I h vid tryck på cirka 1,6 GPa [2] , och från LDLP kl. tryck på ca 0,5 GPa [3] . Vid en temperatur på 77 K och ett tryck på 1 GPa är HDL-densiteten 1,3 g/cm³. Om trycket sänks till atmosfärstryck kommer HDL-densiteten att minska från 1,3 g/cm³ till 1,17 g/cm³ [2] , men vid en temperatur på 77 K ligger den kvar under en godtyckligt lång tid.

Om emellertid is med hög densitet värms upp vid normalt tryck kommer den inte att förvandlas till den ursprungliga isen I h , utan istället bli ytterligare en modifiering av amorf is, denna gång med en låg densitet, 0,94 g/cm³. Denna is, vid ytterligare uppvärmning i området 150 K, kommer att kristallisera, men återigen inte till den ursprungliga isen I h , utan kommer att anta det kubiska systemet av is I c .

Amorf is med mycket hög densitet

HDL upptäcktes 1996, när det upptäcktes att om HDL värms upp till 160 K vid ett tryck i intervallet 1 till 2 GPa, så blir det tätare, och vid atmosfärstryck är dess densitet 1,26 g/cm³ [4] [ 5 ] .

Vissa funktioner

• Tung amorf is kan mycket väl sjunka i vanligt vatten, men detta händer inte: efter att ha värmts upp något kommer de att förvandlas till kristallin is, vars densitet kommer att vara mindre än vatten, och den kommer att flyta upp utan att hinna smälta. Strängt taget är ordet "smältning" inte tillämpligt på amorf is, eftersom denna process sker i temperaturområdet, som på engelska kallas "mjukning" (mjukning).

• Ett av de olösta problemen är relaterat till smältningen av amorfa isar. I fasdiagrammet över isens tillstånd sträcker sig gränsen mellan amorfa isar med låg och hög densitet även in i vätskefasens område. Av detta följer att avsmältningen av var och en av dessa isar bör producera mindre respektive tätare vatten, och skillnaden i specifika volymer för dessa två vatten kan nå 20 %. Temperaturen för denna smältning ligger i intervallet från 130 till 200 K (beroende på trycket). Det kan antas att det finns en annan punkt där tre flytande faser samexisterar: två motsvarar uppmjukad LDA och HDL, och en motsvarar den vanliga flytande fasen. Dess koordinater på fasdiagrammet är 0,1 GPa och 200 K. Det är inte möjligt att föra amorfa isar till en direkt omvandling till en vätska; när de värms upp till ca 150 K blir de kristallin is. Och det smälter vid en mycket högre temperatur.

Applikation

Amorf is används i vissa vetenskapliga experiment, särskilt elektronkryomikroskopi , som möjliggör studier av biologiska molekyler i ett tillstånd som är nära deras naturliga tillstånd i flytande vatten [6] . biogena prover som innehåller vatten förglasas med kryogena vätskor som flytande kväve eller flytande helium. Således kan den naturliga strukturen hos proverna bevaras utan att förändras av iskristaller.

Länkar

• S. M. Komarova Ismönster av högt tryck — Populärt om typerna av is, inklusive amorf
• En internationell grupp forskare från USA och Kanada har avslöjat de anomala egenskaperna hos amorf is // Lenta. Ru 28 maj 2019
• Chaplin, Martin. Amorf is och glasigt vatten . Vattenstruktur och vetenskap (23 juni 2008). Hämtad 22 februari 2009. Arkiverad från originalet 25 mars 2012. (obestämd)
• Om ALOVP-  forskning
• ALVP i rymden  (engelska)
•  PWA :s strukturer

Anteckningar

1. ↑ Uppskattning av vatten-glas övergångstemperatur baserad på hypersläckt glasartat vattenexperiment Arkiverad 24 juli 2008 på Wayback Machine of Science (registrering krävs).
2. ↑ 1 2 O. Mishima och L. D. Calvert och E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
3. ↑ O. Mishima, L. D. Calvert och E. Whalley, Nature 314, 76 (1985).
4. ^ O. Mishima, Nature, 384, 6069 sid. 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 och P. Schultz. Kryoelektronmikroskopi av förglasade prover. Q. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).