Лед это аморфное тело или нет

Аморфный лёд

Аморфный лёд — вода в форме твердого аморфного вещества, у которого молекулы воды расположены случайным образом, наподобие атомов в обычном стекле. Чаще всего в природе лёд находится в поликристаллическом состоянии. Аморфный лед отличается тем, что у него отсутствует дальний порядок кристаллической структуры.

Аморфный лёд получают путём чрезвычайно быстрого охлаждения жидкой воды (со скоростью порядка 1 000 000 К в секунду), так что молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку.

Точно так же, как существует много кристаллических форм льда (в настоящее время известны пятнадцать модификаций), есть также разные формы аморфного льда, отличающихся главным образом плотностью.

Содержание

Способы получения

Почти любое кристаллическое вещество можно быстрым охлаждением из расплава перевести в метастабильное аморфное состояние. Поэтому ключом к получению аморфного льда являются темпы охлаждения. Жидкую воду надо охладить до температуры её стеклования (около 136 К или −137 °C) в течение нескольких миллисекунд, чтобы избежать спонтанного зарождения кристаллов.

Давление служит ещё одним важным фактором в получении аморфного льда. Кроме того, меняя давление, можно превращать одну разновидность аморфного льда в другую.

К воде можно добавлять специальные химические вещества — криопротекторы, которые понижают температуру её замерзания и увеличивают вязкость, что препятствует образованию кристаллов. Стеклование без добавления криопротекторов достигается при очень быстром охлаждении. Эти методы используют в биологии для криоконсервации клеток и тканей.

Разновидности аморфного льда

Аморфный лёд существует в трёх главных формах: аморфный лёд низкой плотности (АЛНП или LDA), который образуется при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (АЛВП или HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (АЛОВП или VHDA).

Аморфный лёд низкой плотности

При осаждении водяного пара на медную пластинку, охлаждённую ниже 163 К, впервые был получен аморфный лёд с плотностью 0,93 г/см³, он же аморфная твёрдая вода, или стеклообразная вода. Сейчас в лабораториях получают АЛНП тем же методом при температуре ниже 120 К. Очевидно, в космосе такой лёд возникает подобным же способом на разных холодных поверхностях, например, частицах пыли. Предполагают, что этот лёд вполне обычен для состава комет и присутствует на внешних планетах. [1]

Если менять температуру подложки и скорость осаждения, то можно получать лёд другой плотности. Так, при 77 К и скорости осаждения 10 мг в час получается лёд плотности 0,94 г/см³, а при 10К и скорости 4 мг в час — 1,1 г/см³, причём его структура, хоть и лишённая дальнего порядка, оказывается гораздо сложнее, чем у предыдущего аморфного льда. До сих пор неясно: одна и та же модификация аморфного льда (с плотностью 0,94 г/см³) образуется при нагревании АЛВП и при осаждении из пара или они различаются.

Аморфный лёд высокой плотности

Аморфный лёд высокой плотности можно получить, сдавливая лёд I_h при температурах ниже

140 К. При температуре 77 K, АЛВП образуется из обычного природного льда I_h при давлениях около 1,6 ГПа [2] , а из АЛНП при давлении около 0,5 ГПа [3] . При температуре 77 К и давлении 1 ГПа плотность АЛВП равна 1,3 г/см³. Если сбросить давление до атмосферного, плотность АЛВП уменьшится с 1,3 г/см³ до 1,17 г/см³ [2] , но при температуре 77 К он сохраняется сколь угодно долго.

Если же лёд высокой плотности нагреть при нормальном давлении, он не превратится в исходный лёд Ih, а вместо этого станет ещё одной модификацией аморфного льда, на сей раз с низкой плотностью, 0,94 г/см³. Этот лёд при дальнейшем нагревании в районе 150 К закристаллизуется, но опять не в исходный лёд I_h, a примет кубическую сингонию льда I_c.

Аморфный лёд очень высокой плотности

АЛОВП был открыт в 1996 г., когда обнаружили, что если нагреть АЛВП до 160 К при давлении в диапазоне от 1 до 2 ГПа, то он становится плотнее, и при атмосферном давлении его плотность равна 1,26 г/см³ [4] [5] .

Некоторые особенности

• Тяжёлые аморфные льды вполне могли бы утонуть в обычной воде, но этого не случается: слегка нагревшись, они превратятся в кристаллический лёд, плотность которого окажется меньше водяной, и тот, не успев растаять, всплывёт вверх. Строго говоря, слово «плавление» к аморфному льду неприменимо, поскольку этот процесс происходит в интервале температур, что по-английски называется «softening» (размягчение).

• С таянием аморфных льдов связана одна из нерешённых проблем. На фазовой диаграмме состояния льда граница между аморфными льдами низкой и высокой плотностей протягивается и в область жидкой фазы. Из этого следует, что при плавлении каждого из этих льдов должна получаться соответственно менее и более плотная вода, причём разница удельных объёмов у этих двух вод может достигать 20 %. Температура же этого плавления лежит в интервале от 130 до 200 К (в зависимости от давления). Можно предположить, что есть ещё точка, где сосуществуют три жидких фазы: две соответствуют размягчённым АЛНП и АЛВП, и одна — обычной жидкой. Её координаты на фазовой диаграмме — 0,1 ГПа и 200 К. Довести аморфные льды до прямого превращения в жидкость не удаётся; при нагреве до примерно 150 К они становятся кристаллическим льдом. А он тает при гораздо более высокой температуре.

Применение

Аморфный лёд используют в некоторых научных экспериментах, особенно электронной криомикроскопии, которая позволяет исследовать биологические молекулы в том состоянии, которое близко к их естественному состоянию в жидкой воде [6] .

Примечания

1. ↑Estimation of water-glass transition temperature based on hyperquenched glassy water experiments из Science (нужна регистрация).
2. ↑ 12 O. Mishima and LD Calvert, and E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
3. ↑ O. Mishima, LD Calvert, and 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, J. J. Chang, J. C. Homo, J. Lepault, A. W. McDowell, and P. Schultz. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Q. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).

Ссылки

• Популярно о разновидностях льда, включая аморфный. статья С. М. Комарова — Ледяные узоры высокого давления.
• Chaplin, Martin.Amorphous Ice and Glassy Water. Water Structure and Science (23 июня 2008). Архивировано из первоисточника 25 марта 2012.Проверено 22 февраля 2009.
• Об исследованиях АЛОВП (англ.)
• АЛВП в космосе (англ.)
• Структуры АЛВП (англ.)

	Портал «Гидрология»
	Лёд в Викисловаре ?
	Ice на Викискладе ?

Снег и лёд

Фазы льда
Снег	Снежный покров | Пороша | Наст | Фирн | Фирновая граница | Снеговая линия | Депрессия снеговой линии | Нивально-гляциальная зона | Проталина | Красный снег
Природные образования: снежные	Сугроб | Надув | Заструга | Снежник | Снежница| Снежный карниз
Перенос снега	Снегопад | Метель | Буран | Пурга | Позёмок | Снежная крупа | Лавина | Снежный эффект озера
Лёд	Морской лёд | Снежура | Шуга | Сало | Паковый лёд | Гололёд | Гололедица | Изморозь | Иней | Глетчерный лёд | Дегляциация | Сёрдж | Ледоём | Гляциоизостазия | Гляциодислокация | Гляциодиапир | Гляциогалокинез
Природные образования: ледяные	Криосфера | Шельфовый ледник | Дропстоун | Наледь | Вечная мерзлота | Ископаемый лёд | Мёртвый лёд | Сосулька | Торосы | Припай | Стамуха | Ледниковая трещина
Ледяной покров: частичный	Реки́: Ледоход | Полынья | Забереги |Океана: льдина, айсберг | Земли́: ледник | Рафтинг (геология) | Эрратические валуны | Подвижка ледника
Иглу | Ледяная скульптура | Кубики льда Создание снега: Снежная пушка | Снежное ружьё Зимние развлечения, игры со снегом: снеговик (снежная баба) | снежок ( Снежки, Юкигассен ) | каток | горка | Снежная крепость
Научные дисциплины	Криология | Гляциология | Четвертичная гляциогидрология | Палеогляциология | Маринизм
Персонажи	Снежная королева | Снегурочка | Юки-онна
Мероприятия	Снежный фестиваль | Винтерлюд | Новый год

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Аморфный лёд» в других словарях:

АМОРФНЫЙ — (греч., этим. см. аморфа). Бесформенный говорится о кристаллах, не имеющих правильной кристаллической формы. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. АМОРФНЫЙ [гр. amorphos] в химии и минералогии: не имеющий … Словарь иностранных слов русского языка

аморфный — рыхловатый, бесформенный, расплывчатый Словарь русских синонимов. аморфный см. бесформенный Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов

аморфный — ая, ое. amorphe adj. Бесформенный. Сл. калька фр. amorphe или научнолат.amorphus.. Отмечается в Сл. Бурдона и Михельсона 1866 г., 38. Ранее калькировалось словами безобразный ( Каде Сл. 1810 г., 1. 79), безвидный ( П. ф. Горянинов Зоология 1837 г … Исторический словарь галлицизмов русского языка

АМОРФНЫЙ — АМОРФНЫЙ, аморфная, аморфное; аморфен, аморфна, аморфно (греч. amorphos Бесформенный). 1. Не имеющий правильного кристаллического строения (минер. и хим.). Аморфный порошок. Аморфное состояние. 2. Бесформенный (книжн.). Аморфная масса. Толковый… … Толковый словарь Ушакова

АМОРФНЫЙ — АМОРФНЫЙ, ая, ое; фен, фна. 1. Не имеющий кристаллического строения (спец.). Аморфное вещество. 2. перен. Бесформенно расплывчатый (книжн). | сущ. аморфность, и, жен. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

АМОРФНЫЙ — (от греч. а отриц. част, и morphe вид, форма), не кристаллический. Атомы А. вещества расположены в хаотическом беспорядке, в противоположность веществу кристаллическому, где они занимают строго определенные места на ребрах и гранях… … Большая медицинская энциклопедия

аморфный — бесструктурный — [Англо русский геммологический словарь. Красноярск, КрасБерри. 2007.] Тематики геммология и ювелирное производство Синонимы бесструктурный EN uncrystalline … Справочник технического переводчика

Аморфный — Amorphous Аморфный. Не имеющий кристаллической структуры; некристаллический. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал , НПО Мир и семья ; Санкт Петербург, 2003 г.) … Словарь металлургических терминов

Аморфный — (греч.) бесформенный. См. Аморфность … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Аморфный — прил. 1. Не имеющий кристаллического строения (о твёрдом теле). 2. перен. Лишённый чёткости и определённости; расплывчатый. 3. перен. Пассивный, вялый, безразличный (о человеке). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

Источник

Аморфный лед — Amorphous ice

Аморфный лед (некристаллический или «стекловидный» лед) — это аморфная твердая форма воды. Обычный лед — это кристаллический материал, в котором молекулы регулярно расположены в гексагональной решетке, тогда как аморфный лед не имеет дальнего порядка в его молекулярном расположении. Аморфный лед получают либо путем быстрого охлаждения жидкой воды (поэтому молекулы не успевают сформировать кристаллическую решетку ), либо путем сжатия обычного льда при низких температурах.

Хотя почти весь водяной лед на Земле представляет собой знакомый кристаллический лед I _h , аморфный лед преобладает в глубинах межзвездной среды , что делает его, вероятно, наиболее распространенной структурой H ₂ O во Вселенной в целом.

Подобно тому, как существует множество различных кристаллических форм льда (в настоящее время известно более семнадцати), существуют также различные формы аморфного льда, различающиеся в основном своей плотностью .

СОДЕРЖАНИЕ

Формирование

Производство аморфного льда зависит от высокой скорости охлаждения. Жидкую воду необходимо охладить до температуры стеклования (около 136 К или -137 ° C) за миллисекунды, чтобы предотвратить спонтанное зарождение кристаллов. Это аналогично производству мороженого из разнородных ингредиентов, которые также необходимо быстро замораживать, чтобы предотвратить рост кристаллов в смеси.

Давление — еще один важный фактор в образовании аморфного льда, и изменения давления могут привести к превращению одной формы в другую.

В воду можно добавлять криопротекторы (например, антифриз ) для снижения температуры замерзания и увеличения вязкости, что препятствует образованию кристаллов. Стеклование без добавления криопротекторов может быть достигнуто очень быстрым охлаждением. Эти методы используются в биологии для криоконсервации клеток и тканей.

Формы

Аморфный лед низкой плотности

Аморфный лед низкой плотности , также называемый LDA , аморфный водяной лед, осажденный из паровой фазы или аморфная твердая вода (ASW), обычно образуется в лаборатории путем медленного накопления молекул водяного пара ( физическое осаждение из паровой фазы ) на очень гладкой поверхности металлического кристалла под 120 К. Ожидается, что в космическом пространстве он будет формироваться аналогичным образом на различных холодных подложках, таких как частицы пыли.

При температуре стеклования (T _g ) от 120 до 140 K LDA более вязкая, чем обычная вода. Недавние исследования показали, что вязкая жидкость остается в этой альтернативной форме жидкой воды до температуры где-то между 140 и 210 K, температурного диапазона, который также населен льдом I _c . LDA имеет плотность 0,94 г / см 3 , менее плотную, чем самая плотная вода (1,00 г / см 3 при 277 K), но более плотная, чем обычный лед ( лед I _h ).

Напротив, гиперзатушенная стекловидная вода (HGW) образуется путем распыления мелкодисперсного водяного тумана из капель воды в жидкость, такую ​​как пропан, около 80 К, или путем сверхзатушения мелких капель микрометрового размера на держателе образцов, поддерживаемом при температуре жидкого азота , 77 К. , в вакууме. Для предотвращения кристаллизации капель требуются скорости охлаждения выше 10 4 К / с. При температуре жидкого азота 77 K HGW кинетически стабильны и могут храниться в течение многих лет.

Аморфный лед высокой плотности

Аморфный лед высокой плотности ( HDA ) может быть сформирован путем сжатия льда I _h при температурах ниже

140 K. При 77 K HDA образуется из обычного природного льда при давлении около 1,6 ГПа и из LDA при давлении около 0,5 ГПа (примерно 5000 атм). При этой температуре его можно восстановить до атмосферного давления и хранить в течение неопределенного времени. В этих условиях (атмосферное давление и 77 К) HDA имеет плотность 1,17 г / см 3 .

Питер Дженнискенс и Дэвид Ф. Блейк продемонстрировали в 1994 году, что форма аморфного льда высокой плотности также создается во время осаждения паров воды на низкотемпературных ( Аморфный лед очень высокой плотности

Аморфный лед очень высокой плотности ( VHDA ) был обнаружен в 1996 году Осаму Мисимой, который заметил, что HDA становится более плотным при нагревании до 160 К при давлении от 1 до 2 ГПа и имеет плотность 1,26 г / см 3 при атмосферном давлении и температуре. 77 К. Позже было высказано предположение, что этот более плотный аморфный лед представляет собой третью аморфную форму воды, отличную от HDA, и было названо VHDA.

Аморфный лед в Солнечной системе

Характеристики

Обычно аморфный лед может образовываться ниже

130 К. При этой температуре молекулы воды не могут образовывать кристаллическую структуру, обычно встречающуюся на Земле. Аморфный лед может также образовываться в самой холодной области атмосферы Земли, в летней полярной мезосфере, где существуют серебристые облака . Эти низкие температуры легко достигаются в астрофизических средах, таких как молекулярные облака, околозвездные диски и поверхности объектов во внешней Солнечной системе. В лаборатории аморфный лед превращается в кристаллический, если он нагревается выше 130 К, хотя точная температура этого преобразования зависит от окружающей среды и условий роста льда. Реакция необратима и экзотермична, с выделением 1,26–1,6 кДж / моль.

Дополнительным фактором, определяющим структуру водяного льда, является скорость осаждения. Даже если он достаточно холодный, чтобы образовался аморфный лед, кристаллический лед будет образовываться, если поток водяного пара на подложку меньше, чем критический поток, зависящий от температуры. Этот эффект важно учитывать в астрофизической среде, где поток воды может быть низким. И наоборот, аморфный лед может образовываться при температурах выше, чем ожидалось, если поток воды высок, например, при внезапном замораживании, связанном с криовулканизмом .

При температурах ниже 77 К облучение ультрафиолетовыми фотонами, а также высокоэнергетическими электронами и ионами может повредить структуру кристаллического льда, превратив его в аморфный лед. Аморфный лед, по-видимому, не подвергается значительному воздействию излучения при температурах ниже 110 К, хотя некоторые эксперименты показывают, что радиация может снизить температуру, при которой аморфный лед начинает кристаллизоваться.

Обнаружение

Аморфный лед можно отделить от кристаллического льда на основе его ближнего и инфракрасного спектра. На длинах волн ближнего ИК-диапазона характеристики линий поглощения воды 1,65, 3,1 и 4,53 мкм зависят от температуры льда и порядка кристаллов. Пиковая сила полосы 1,65 мкм, а также структура полосы 3,1 мкм особенно полезны для определения кристалличности водяного льда.

В более длинных инфракрасных длинах волн аморфный и кристаллический лед имеют характерно разные полосы поглощения при 44 и 62 мкм, так как кристаллический лед имеет значительное поглощение на 62 мкм, а аморфный лед — нет. Кроме того, эти полосы можно использовать в качестве индикатора температуры при очень низких температурах, когда другие индикаторы (например, полосы 3,1 и 12 мкм) не работают. Это полезно для изучения льда в межзвездной среде и околозвездных дисках. Однако наблюдение за этими особенностями затруднено, потому что атмосфера непрозрачна для этих длин волн, что требует использования космических инфракрасных обсерваторий.

Молекулярные облака, околозвездные диски и изначальная солнечная туманность

Молекулярные облака имеют чрезвычайно низкие температуры (

10 К), что вполне соответствует режиму аморфного льда. Наличие аморфного льда в молекулярных облаках подтверждено наблюдениями. Когда молекулярные облака коллапсируют, образуя звезды, не ожидается , что температура образовавшегося околозвездного диска поднимется выше 120 К, что указывает на то, что большая часть льда должна оставаться в аморфном состоянии. Однако, если температура поднимается достаточно высоко, чтобы сублимировать лед, он может повторно конденсироваться в кристаллическую форму, поскольку скорость потока воды настолько мала. Ожидается, что это будет иметь место в околозвездном диске IRAS 09371 + 1212, где наблюдались признаки кристаллизованного льда, несмотря на низкую температуру 30–70 К.

Для первичной солнечной туманности существует большая неопределенность в отношении кристалличности водяного льда во время фаз формирования околозвездного диска и планет. Если первоначальный аморфный лед пережил коллапс молекулярного облака, то он должен был сохраниться на гелиоцентрических расстояниях за пределами орбиты Сатурна (

Кометы

Свидетельство аморфного льда в кометах обнаруживается в высоких уровнях активности, наблюдаемых в долгопериодических кометах, кометах семейства Кентавр и Юпитер на гелиоцентрических расстояниях, превышающих

6 а.е. Эти объекты слишком холодные, чтобы сублимация водяного льда, которая приближает кометную активность ближе к Солнцу, не оказала большого влияния. Термодинамические модели показывают, что температура поверхности этих комет близка к температуре перехода аморфный / кристаллический лед в

130 К, что подтверждает вероятный источник активности. Безудержная кристаллизация аморфного льда может производить энергию, необходимую для питания вспышек, подобных тем, которые наблюдались у кометы Кентавра 29P / Швассмана-Вахмана 1.

Объекты пояса Койпера

При температурах радиационного равновесия 40–50 K ожидается, что объекты в поясе Койпера будут иметь аморфный водяной лед. Хотя водяной лед наблюдался на нескольких объектах, их чрезвычайная слабость затрудняет определение структуры льда. Признаки кристаллического водяного льда наблюдались на 50000 Квавар , возможно, из-за событий восстановления поверхности, таких как удары или криовулканизм.

Ледяные луны

Спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (NIMS) на космическом корабле НАСА Галилео спектроскопически картировал поверхность льда спутников Юпитера Европа , Ганимед и Каллисто . Температуры этих спутников колеблются в пределах 90–160 К, что достаточно тепло, чтобы аморфный лед, как ожидается, кристаллизовался в относительно короткие сроки. Однако было обнаружено, что Европа состоит в основном из аморфного льда, у Ганимеда есть как аморфный, так и кристаллический лед, а Каллисто в основном кристаллический. Считается, что это результат конкурирующих сил: термическая кристаллизация аморфного льда против превращения кристаллического льда в аморфный поток заряженных частиц с Юпитера. Ближе к Юпитеру, чем другие три луны, Европа получает самый высокий уровень радиации и, следовательно, благодаря облучению имеет самый аморфный лед. Каллисто находится дальше всего от Юпитера, получает наименьший поток радиации и, следовательно, сохраняет свой кристаллический лед. Ганимед, который находится между ними, демонстрирует аморфный лед в высоких широтах и ​​кристаллический лед в более низких широтах. Считается, что это результат собственного магнитного поля Луны, которое направляет заряженные частицы в более высокие широты и защищает более низкие широты от излучения.

Поверхность льда спутника Сатурна Энцелада была нанесена на карту с помощью визуального и инфракрасного картографического спектрометра (VIMS) космического зонда NASA / ESA / ASI Cassini. Зонд обнаружил как кристаллический, так и аморфный лед с более высокой степенью кристалличности в трещинах «тигровая полоса» на поверхности и более аморфным льдом между этими областями. Кристаллический лед возле полос тигра можно объяснить более высокими температурами, вызванными геологической активностью, которая предположительно является причиной трещин. Аморфный лед можно объяснить мгновенным замерзанием в результате криовулканизма, быстрой конденсацией молекул из водяных гейзеров или облучением высокоэнергетических частиц Сатурна.

Полярная мезосфера Земли

Ледяные облака образуются в мезопаузе высоких широт Земли (

90 км) и ниже, где температура, по наблюдениям, опускается ниже 100 К. Было высказано предположение, что гомогенное зарождение частиц льда приводит к образованию аморфного льда низкой плотности. Аморфный лед, вероятно, приурочен к самым холодным частям облаков, а сложение неупорядоченного льда I, как полагают, преобладает в других местах этих полярных мезосферных облаков .

Использует

Аморфный лед используется в некоторых научных экспериментах, особенно в криоэлектронной микроскопии биомолекул. Отдельные молекулы могут быть сохранены для визуализации в состоянии, близком к тому, что они находятся в жидкой воде.

Источник