Аморфний лід
Аморфний лід- вода в стані твердої аморфної речовини, у якої молекули води розташовані випадковим чином, на кшталт атомів у звичайному склі. Найчастіше в природі лід перебуває у полікристалічному стані. Аморфний лід відрізняється тим, що він відсутня далекий порядок кристалічної структури.
Аморфний лід отримують шляхом надзвичайно швидкого охолодження рідкої води (зі швидкістю близько 1 000 000 К на секунду), тому молекули не встигають сформувати кристалічну решітку.
Точно так само, як існує багато кристалічних форм льоду (нині відомі шістнадцять модифікацій), є різні форми аморфного льоду, що відрізняються головним чином щільністю.
Зміст
Майже будь-яку кристалічну речовину можна швидким охолодженням з розплаву перевести в метастабільний аморфний стан. Тому ключем для отримання аморфного льоду є темпи охолодження. Рідку воду треба охолодити до температури її склування (близько 136 або −137 °C) протягом декількох мілісекунд, щоб уникнути спонтанного зародження кристалів.
Тиск є ще одним важливим фактором в отриманні аморфного льоду. Крім того, змінюючи тиск, можна перетворювати один різновид аморфного льоду на інший.
До води можна додавати спеціальні хімічні речовини - кріопротектори, які знижують температуру її замерзання і збільшують в'язкість, що перешкоджає утворенню кристалів. Скло без додавання кріопротекторів досягається при дуже швидкому охолодженні. Ці методи використовують у біології для кріоконсервації клітин та тканин.
Аморфний лід існує в трьох головних формах: аморфний лід низької щільності (АЛНП або LDA), який утворюється при атмосферному тиску і нижче, аморфний лід високоїгустини (АЛВП або HDA) і аморфний лід дуже високої густини (АЛОВП або VHDA).
Аморфний лід низької щільності
При осадженні водяної пари на мідну пластинку, охолоджену нижче 163 К, вперше було отримано аморфний лід із щільністю 0,93 г/см³, він же аморфна тверда вода, або склоподібна вода. Зараз у лабораторіях отримують АЛНП тим же методом при температурі нижче 120 К. Очевидно, в космосі такий лід виникає подібним способом на різних холодних поверхнях, наприклад, частках пилу. Припускають, що цей лід цілком звичайний для комет і присутній на зовнішніх планетах. [1]
Якщо змінювати температуру підкладки та швидкість осадження, то можна отримувати лід іншої щільності. Так, при 77 К і швидкості осадження 10 мг на годину виходить лід щільності 0,94 г/см³, а при 10К і швидкості 4 мг на годину - 1,1 г/см³, причому його структура, хоч і позбавлена далекого порядку, виявляється набагато складніше, ніж у попереднього аморфного льоду. Досі незрозуміло: та сама модифікація аморфного льоду (з щільністю 0,94 г/см³) утворюється при нагріванні АЛВП і при осадженні з пари або вони різняться.
Аморфний лід високої густини
Аморфний лід високої щільності можна отримати, стискаючи лід Ih при температурах нижче
140 К. При температурі 77 K, АЛВП утворюється зі звичайного льоду природного Ih при тисках близько 1,6 ГПа [2] , а з АЛНП при тиску близько 0,5 ГПа [3] . При температурі 77 До та тиску 1 ГПа щільність АЛВП дорівнює 1,3 г/см³. Якщо скинути тиск до атмосферного, щільність АЛВП зменшиться з 1,3 г/см³ до 1,17 г/см³ [2] , але при температурі 77 К він зберігається скільки завгодно довго.
Якщо ж лід високої щільності нагріти при нормальному тиску, він не перетвориться на вихідний лід Ih, а натомість стане ще однією модифікацієюаморфного льоду, цього разу з низькою густиною, 0,94 г/см³. Цей лід при подальшому нагріванні в районі 150 До закристалізується, але знову не в вихідний лід Ih, а прийме кубічну сингонію льоду Ic.
Аморфний лід дуже високої густини
АЛОВП був відкритий в 1996 році, коли виявили, що якщо нагріти АЛВП до 160 К при тиску в діапазоні від 1 до 2 ГПа, то він стає щільнішим, і при атмосферному тиску його щільність дорівнює 1,26 г/см3 [4] [5] ].
- Тяжкі аморфні льоди цілком могли б потонути у звичайній воді, але цього не трапляється: злегка нагрівшись, вони перетворяться на кристалічний лід, щільність якого виявиться меншою за водяну, і той, не встигнувши розтанути, спливе вгору. Строго кажучи, слово "плавлення" до аморфного льоду не застосовується, оскільки цей процес відбувається в інтервалі температур, що англійською називається "softening" (розм'якшення).
- З таненням аморфних льодів пов'язана одна з невирішених проблем. На фазовій діаграмі стану льоду межа між аморфними льодами низькою і високою щільністю простягається і область рідкої фази. З цього випливає, що при плавленні кожного з цих льодів повинна виходити відповідно менша і більш щільна вода, причому різниця питомих об'ємів цих двох вод може досягати 20 %. Температура цього плавлення лежить в інтервалі від 130 до 200 К (залежно від тиску). Можна припустити, що є ще точка, де співіснують три рідкі фази: дві відповідають розм'якшеним АЛНП і АЛВП, і одна - звичайної рідкої. Її координати на фазовій діаграмі - 0,1 ГПа і 200 К. Довести аморфні льоди до прямого перетворення на рідину не вдається; при нагріванні приблизно до 150 К вони стають кристалічним льодом. А він тане за набагато вищої температури.
Аморфний лід використовують удеяких наукових експериментах, особливо електронної кріомікроскопії, яка дозволяє досліджувати біологічні молекули в тому стані, який близький до їхнього природного стану в рідкій воді [6] .