Amorfní led

Amorfní led  je voda ve stavu pevné amorfní látky, ve které jsou molekuly vody náhodně uspořádány jako atomy v běžném skle. Nejčastěji je v přírodě led v polykrystalickém stavu. Amorfní led je odlišný v tom, že postrádá dalekonosné uspořádání krystalové struktury .

Amorfní led se získává extrémně rychlým ochlazením kapalné vody (rychlostí asi 1 000 000 K za sekundu), takže molekuly nestihnou vytvořit krystalovou mřížku .

Stejně jako existuje mnoho krystalických forem ledu (v současnosti je známo osmnáct modifikací ), existují i ​​různé formy amorfního ledu, lišící se především hustotou .

Způsoby získání

Téměř jakoukoli krystalickou látku lze rychlým ochlazením převést z taveniny do metastabilního amorfního stavu. Proto je klíčem k získání amorfního ledu rychlost chlazení. Kapalná voda musí být ochlazena na teplotu skelného přechodu (asi 136 K nebo -137 ° C) během několika milisekund, aby se zabránilo spontánní nukleaci krystalů.

Tlak je dalším důležitým faktorem při získávání amorfního ledu. Změnou tlaku je navíc možné proměnit jeden druh amorfního ledu v jiný.

Do vody lze přidávat speciální chemikálie - kryoprotektory , které snižují její bod tuhnutí a zvyšují její viskozitu, což zabraňuje tvorbě krystalů. Skelný přechod bez přídavku kryoprotektantů je dosažen velmi rychlým ochlazením. Tyto metody se používají v biologii pro kryoprezervaci buněk a tkání.

Odrůdy amorfního ledu

Amorfní led existuje ve třech hlavních formách: amorfní led s nízkou hustotou (LDA nebo LDA), který se tvoří při atmosférickém tlaku nebo pod ním, amorfní led s vysokou hustotou (HDA nebo HDA) a amorfní led s velmi vysokou hustotou (ALOD nebo VHDA).

Amorfní led s nízkou hustotou

Když byla vodní pára nanesena na měděnou desku ochlazenou pod 163 K, byl poprvé získán amorfní led o hustotě 0,93 g/cm³, také známý jako amorfní pevná voda nebo skelná voda. Nyní se v laboratořích ALNP získává stejnou metodou při teplotách pod 120 K. Je zřejmé, že ve vesmíru se takový led tvoří podobným způsobem na různých studených površích, například prachové částice. Předpokládá se, že tento led je zcela běžný pro složení komet a je přítomen na vnějších planetách . [jeden]

Pokud změníte teplotu substrátu a rychlost nanášení, můžete získat led jiné hustoty. Takže při 77 K a rychlosti nanášení 10 mg za hodinu se získá led s hustotou 0,94 g/cm³ a ​​při 10 K a rychlosti 4 mg za hodinu 1,1 g/cm³ a ​​jeho struktura, ačkoli postrádající řád na dlouhé vzdálenosti, se ukazuje být mnohem obtížnější než předchozí amorfní led. Stále není jasné, zda při zahřívání HDL a při depozici z páry vzniká stejná modifikace amorfního ledu (o hustotě 0,94 g/cm³), nebo zda se liší.

Amorfní led s vysokou hustotou

Amorfní led o vysoké hustotě lze získat vymačkáváním ledu I h při teplotách pod ~140 K. Při teplotě 77 K vzniká HDL z obyčejného přírodního ledu I h při tlacích asi 1,6 GPa [2] , z LDLP při. tlaky asi 0,5 GPa [3] . Při teplotě 77 K a tlaku 1 GPa je hustota HDL 1,3 g/cm³. Pokud tlak klesne na atmosférický tlak, hustota HDL se sníží z 1,3 g/cm³ na 1,17 g/cm³ [2] , ale při teplotě 77 K zůstává libovolně dlouho.

Pokud se však led o vysoké hustotě zahřeje za normálního tlaku, nezmění se v původní led I h , ale stane se další modifikací amorfního ledu, tentokrát s nízkou hustotou, 0,94 g/cm³. Tento led při dalším zahřívání v oblasti 150 K zkrystalizuje, ale opět ne do původního ledu I h , ale převezme krychlovou soustavu ledu I c .

Amorfní led velmi vysoké hustoty

HDL byl objeven v roce 1996, kdy bylo zjištěno, že pokud se HDL zahřeje na 160 K při tlaku v rozmezí 1 až 2 GPa, pak zhustne a při atmosférickém tlaku je jeho hustota 1,26 g/cm³ [4] [ 5] .

Některé funkce

• Těžký amorfní led by se mohl dobře potopit v obyčejné vodě, ale to se nestane: po mírném zahřátí se změní na krystalický led, jehož hustota bude menší než voda, a bude plavat nahoru, aniž by měl čas tát. Přísně vzato, slovo „tání“ nelze použít pro amorfní led, protože tento proces probíhá v teplotním rozsahu, který se v angličtině nazývá „softening“ (změkčení).

• Jeden z nevyřešených problémů souvisí s táním amorfních ledů. Ve fázovém diagramu stavu ledu zasahuje hranice mezi amorfními ledy o nízké a vysoké hustotě i do oblasti kapalné fáze. Z toho vyplývá, že tání každého z těchto ledů by mělo produkovat méně a více husté vody a rozdíl v měrných objemech těchto dvou vod může dosáhnout 20 %. Teplota tohoto tavení leží v rozmezí od 130 do 200 K (v závislosti na tlaku). Lze předpokládat, že existuje další bod, kde koexistují tři kapalné fáze: dvě odpovídají změkčené LDA a HDL a jedna odpovídá obvyklé kapalné fázi. Jeho souřadnice na fázovém diagramu jsou 0,1 GPa a 200 K. Není možné přivést amorfní ledy k přímé přeměně na kapalinu; při zahřátí na asi 150 K se z nich stane krystalický led. A taje při mnohem vyšší teplotě.

Aplikace

Amorfní led se používá v některých vědeckých experimentech, zejména v elektronové kryomikroskopii , která umožňuje studium biologických molekul ve stavu, který je blízký jejich přirozenému stavu v kapalné vodě [6] . biogenní vzorky obsahující vodu jsou vitrifikovány kryogenními kapalinami, jako je kapalný dusík nebo kapalné helium. Přirozená struktura vzorků tak může být zachována, aniž by byla změněna ledovými krystalky.

Odkazy

• S. M. Komarova Ledové vzory vysokého tlaku — Populární o typech ledu, včetně amorfního
• Mezinárodní skupina vědců z USA a Kanady odhalila anomální vlastnosti amorfního ledu // Lenta. Ru , 28. května 2019
• Chaplin, Martin. Amorfní led a skelná voda . Vodní struktura a věda (23. června 2008). Získáno 22. února 2009. Archivováno z originálu 25. března 2012. (neurčitý)
•  O výzkumu ALOVP
• ALVP ve vesmíru  (anglicky)
• Struktury  PWA

Poznámky

1. ↑ Odhad teploty přechodu voda-sklo na základě experimentů s hyperquenched skelnou vodou Archivováno 24. července 2008 na Wayback Machine of Science (nutná registrace).
2. ↑ 1 2 O. Mishima a L. D. Calvert a E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
3. ↑ O. Mishima, L. D. Calvert a 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., 2. odlišný strukturální stav HDA při 77 K a 1 bar, PhysChemChemPhys 3:5355-5357. (2001).
6. ↑ Dubochet, J., M. Adrian, JJ Chang, JC Homo, J. Lepault, A.W. McDowell a P. Schultz. Kryoelektronová mikroskopie vitrifikovaných vzorků. Q. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).