Lód amorficzny - Amorphous ice

Lód amorficzny (niekrystaliczny lub „szklisty”) to amorficzna, stała postać wody. Zwykły lód jest materiałem krystalicznym, w którym cząsteczki są regularnie ułożone w heksagonalną sieć, podczas gdy lód amorficzny ma brak uporządkowania dalekiego zasięgu w swoim układzie molekularnym. Lód amorficzny powstaje albo przez szybkie schłodzenie ciekłej wody (więc cząsteczki nie mają wystarczająco dużo czasu na utworzenie sieci krystalicznej ), albo przez kompresję zwykłego lodu w niskich temperaturach.

Chociaż prawie cały lód wodny na Ziemi jest znanym lodem krystalicznym I h , w głębi ośrodka międzygwiazdowego dominuje lód amorficzny , co czyni ją prawdopodobnie najpowszechniejszą strukturą H 2 O we wszechświecie .

Tak jak istnieje wiele różnych form krystalicznych lodu (obecnie znanych jest ich ponad siedemnaście), istnieją również różne formy lodu amorficznego, różniące się przede wszystkim gęstością .

Tworzenie

Produkcja lodu amorficznego zależy od szybkiego tempa chłodzenia. Ciekła woda musi zostać schłodzona do temperatury zeszklenia (około 136 K lub -137°C) w milisekundach, aby zapobiec spontanicznemu zarodkowaniu kryształów. Jest to analogiczne do produkcji lodów z niejednorodnych składników, które również należy szybko zamrozić, aby zapobiec wzrostowi kryształów w mieszaninie.

Ciśnienie jest kolejnym ważnym czynnikiem w tworzeniu się lodu amorficznego, a zmiany ciśnienia mogą powodować przekształcenie jednej formy w drugą.

Do wody można dodawać krioprotektanty w celu obniżenia jej temperatury zamarzania (np. płyn niezamarzający ) i zwiększenia lepkości, co hamuje tworzenie się kryształów. Zeszklenie bez dodatku krioprotektantów można osiągnąć przez bardzo szybkie schłodzenie. Techniki te są wykorzystywane w biologii do kriokonserwacji komórek i tkanek.

Formularze

Amorficzny lód o niskiej gęstości

Lód amorficzny o niskiej gęstości , zwany również LDA , amorficzny lód wodny osadzany na parze lub amorficzna woda stała (ASW) jest zwykle tworzony w laboratorium przez powolne gromadzenie się cząsteczek pary wodnej ( fizyczne osadzanie pary ) na bardzo gładkiej powierzchni kryształu metalu pod 120 K. Oczekuje się, że w przestrzeni kosmicznej będzie powstawał w podobny sposób na różnych zimnych podłożach, takich jak cząsteczki kurzu.

LDA topi się powyżej temperatury zeszklenia ( Tg ) pomiędzy 120 a 140 K, LDA jest bardziej lepka niż normalna woda. Niedawne badania wykazały, że lepka ciecz pozostaje w tej alternatywnej postaci ciekłej wody do temperatury około 140-210 K, czyli zakresu temperatur, w którym również zamieszkuje lód I c . LDA ma gęstość 0,94 g/cm 3 , mniej gęstą niż najgęstsza woda (1,00 g/cm 3 w 277 K), ale gęstsza niż zwykły lód ( lód I h ).

W przeciwieństwie do tego, hiperhartowana szklana woda (HGW) powstaje przez rozpylenie drobnej mgiełki kropelek wody na ciecz, taką jak propan o temperaturze około 80 K, lub przez hiperhartowanie drobnych kropelek wielkości mikrometrów na uchwycie próbki utrzymywanym w temperaturze ciekłego azotu , 77 K , w odkurzaczu. Chłodzenia z szybkością powyżej 10 4  K / s, w celu zapobieżenia krystalizacji z kropelek. W temperaturze ciekłego azotu 77 K HGW jest stabilny kinetycznie i może być przechowywany przez wiele lat.

Amorficzny lód o dużej gęstości

Lód amorficzny o dużej gęstości ( HDA ) może być utworzony przez kompresję lodu I h w temperaturach poniżej ~140 K. W temperaturze 77 K, HDA powstaje ze zwykłego lodu naturalnego przy około 1,6 GPa iz LDA przy około 0,5 GPa (około 5000 atm). W tej temperaturze można go przywrócić do ciśnienia otoczenia i przechowywać przez czas nieokreślony. W tych warunkach (ciśnienie otoczenia i 77 k) HDA ma gęstość 1,17 g / cm 3 .

Peter Jenniskens i David F. Blake wykazali w 1994 roku, że forma amorficznego lodu o dużej gęstości powstaje również podczas osadzania pary wodnej na powierzchniach o niskiej temperaturze (< 30 K), takich jak ziarna międzygwiazdowe. Cząsteczki wody nie dopasowują się w pełni, tworząc otwartą strukturę klatki amorficznego lodu o małej gęstości. Wiele cząsteczek wody znajduje się w pozycjach śródmiąższowych. Po podgrzaniu powyżej 30 K struktura ponownie się wyrównuje i przekształca w formę o niskiej gęstości.

Amorficzny lód o bardzo dużej gęstości

O bardzo wysokiej gęstości amorficznej lód ( VHDA ) został odkryty w 1996 roku przez Osamu Mishima, który obserwuje się, że HDA się gęstszą jeżeli ogrzewa się do temperatury 160 K, pod ciśnieniem od 1 do 2 GPa i ma gęstość wynoszącą 1,26 g / cm 3, przy ciśnieniu otoczenia i temperaturą 77 K. Niedawno zasugerowano, że ten gęstszy amorficzny lód był trzecią amorficzną formą wody, odrębną od HDA i nazwano ją VHDA.

Amorficzny lód w Układzie Słonecznym

Nieruchomości

Ogólnie rzecz biorąc, lód amorficzny może tworzyć się poniżej ~130 K. W tej temperaturze cząsteczki wody nie są w stanie utworzyć struktury krystalicznej powszechnie występującej na Ziemi. Amorficzny lód może również tworzyć się w najzimniejszym regionie ziemskiej atmosfery, letniej mezosferze polarnej, gdzie występują nocne chmury . Te niskie temperatury są łatwo osiągalne w środowiskach astrofizycznych, takich jak obłoki molekularne, dyski okołogwiazdowe i powierzchnie obiektów w zewnętrznym Układzie Słonecznym. W laboratorium lód amorficzny przekształca się w lód krystaliczny, jeśli zostanie podgrzany powyżej 130 K, chociaż dokładna temperatura tej konwersji zależy od środowiska i warunków wzrostu lodu. Reakcja jest nieodwracalna i egzotermiczna, uwalniając 1,26-1,6 kJ/mol.

Dodatkowym czynnikiem określającym strukturę lodu wodnego jest szybkość depozycji. Nawet jeśli jest wystarczająco zimno, aby utworzyć lód amorficzny, lód krystaliczny utworzy się, jeśli strumień pary wodnej na podłoże będzie mniejszy niż strumień krytyczny zależny od temperatury. Ten efekt należy wziąć pod uwagę w środowiskach astrofizycznych, w których przepływ wody może być niski. I odwrotnie, lód amorficzny może tworzyć się w temperaturach wyższych niż oczekiwano, jeśli strumień wody jest wysoki, na przykład w przypadku błyskawicznego zamrażania związanego z kriowulkanizmem .

W temperaturach poniżej 77 K promieniowanie fotonów ultrafioletowych oraz wysokoenergetycznych elektronów i jonów może uszkodzić strukturę lodu krystalicznego, przekształcając go w lód amorficzny. Wydaje się, że promieniowanie w temperaturach poniżej 110 K nie ma znaczącego wpływu na lód amorficzny, chociaż niektóre eksperymenty sugerują, że promieniowanie może obniżyć temperaturę, w której amorficzny lód zaczyna krystalizować.

Wykrycie

Lód amorficzny można oddzielić od lodu krystalicznego na podstawie jego widma w bliskiej podczerwieni i podczerwieni. Przy długości fali bliskiej podczerwieni charakterystyka linii absorpcji wody 1,65, 3,1 i 4,53  μm zależy od temperatury lodu i porządku kryształów. Szczytowa wytrzymałość pasma 1,65 μm oraz struktura pasma 3,1 μm są szczególnie przydatne w identyfikacji krystaliczności lodu wodnego.

Przy dłuższych długościach fal IR lód amorficzny i krystaliczny mają charakterystycznie różne pasma absorpcji przy 44 i 62 μm, ponieważ lód krystaliczny ma znaczną absorpcję przy 62 μm, podczas gdy lód amorficzny nie. Ponadto pasma te mogą być używane jako wskaźnik temperatury w bardzo niskich temperaturach, gdzie inne wskaźniki (takie jak pasma 3,1 i 12 μm) zawodzą. Jest to przydatne do badania lodu w ośrodku międzygwiazdowym i dyskach okołogwiazdowych. Jednak obserwacja tych cech jest trudna, ponieważ atmosfera na tych długościach fal jest nieprzezroczysta, co wymaga użycia kosmicznych obserwatoriów podczerwieni.

Obłoki molekularne, dyski okołogwiazdowe i pierwotna mgławica słoneczna

Chmury molekularne mają ekstremalnie niskie temperatury (~10 K), dobrze mieszczące się w amorficznym reżimie lodowym. Obecność lodu amorficznego w obłokach molekularnych została potwierdzona obserwacyjnie. Kiedy obłoki molekularne zapadają się, tworząc gwiazdy, temperatura powstałego dysku okołogwiazdowego nie powinna wzrosnąć powyżej 120 K, co wskazuje, że większość lodu powinna pozostać w stanie amorficznym. Jeśli jednak temperatura wzrośnie wystarczająco wysoko, aby sublimować lód, może on ponownie skondensować się do postaci krystalicznej, ponieważ szybkość przepływu wody jest tak niska. Oczekuje się, że tak będzie w przypadku dysku okołogwiazdowego IRAS 09371+1212, gdzie pomimo niskiej temperatury 30–70 K zaobserwowano sygnatury skrystalizowanego lodu.

W przypadku pierwotnej mgławicy słonecznej istnieje duża niepewność co do krystaliczności lodu wodnego podczas faz dysku okołogwiazdowego i formowania się planet. Jeśli pierwotny lód amorficzny przetrwał zapadnięcie się obłoku molekularnego, powinien zostać zachowany w odległościach heliocentrycznych poza orbitą Saturna (~12 j.a.).

Komety

Dowody na amorficzny lód w kometach można znaleźć w wysokich poziomach aktywności obserwowanych w długookresowych kometach Centaur i rodziny Jowisz w odległościach heliocentrycznych powyżej ~6 AU. Obiekty te są zbyt zimne, aby sublimacja lodu wodnego, który napędza aktywność komet bliżej Słońca, miała duży wpływ. Modele termodynamiczne pokazują, że temperatury powierzchni tych komet są zbliżone do temperatury przejścia amorficznego/krystalicznego lodu ~130 K, co potwierdza, że ​​jest to prawdopodobne źródło aktywności. Niekontrolowana krystalizacja amorficznego lodu może wytworzyć energię potrzebną do zasilania wybuchów, takich jak te obserwowane w przypadku komety Centaura 29P/Schwassmanna-Wachmanna 1.

Obiekty Pasa Kuipera

Przy temperaturach równowagi promieniowania na poziomie 40–50 K oczekuje się, że obiekty w Pasie Kuipera będą miały amorficzny lód wodny. Chociaż na kilku obiektach zaobserwowano lód wodny, ekstremalna słabość tych obiektów utrudnia określenie struktury lodu. Sygnatury krystalicznego lodu wodnego zaobserwowano na 50000 Quaoar , być może z powodu takich wydarzeń, jak uderzenia lub kriowulkanizm.

Lodowe księżyce

Spektrometr mapujący w bliskiej podczerwieni (NIMS) na statku kosmicznym Galileo NASA wykonał spektroskopową mapę lodu powierzchniowego satelitów Jowisza Europa , Ganimedes i Callisto . Temperatury tych księżyców wahają się od 90 do 160 K, na tyle ciepło, że oczekuje się, że amorficzny lód krystalizuje się w stosunkowo krótkim czasie. Stwierdzono jednak, że Europa ma głównie lód amorficzny, Ganimedes ma zarówno lód amorficzny, jak i krystaliczny, a Kallisto jest głównie krystaliczny. Uważa się, że jest to wynikiem rywalizujących sił: termicznej krystalizacji lodu amorficznego w porównaniu z konwersją lodu krystalicznego w amorficzny przez strumień naładowanych cząstek z Jowisza. Bliżej Jowisza niż pozostałe trzy księżyce Europa otrzymuje najwyższy poziom promieniowania, a zatem dzięki napromieniowaniu ma najbardziej amorficzny lód. Callisto jest najdalej od Jowisza, otrzymuje najniższy strumień promieniowania, a zatem utrzymuje swój krystaliczny lód. Ganimedes, który leży między nimi, wykazuje lód amorficzny na dużych szerokościach geograficznych i lód krystaliczny na niższych szerokościach geograficznych. Uważa się, że jest to wynikiem wewnętrznego pola magnetycznego Księżyca, które kierowałoby naładowane cząstki na wyższe szerokości geograficzne i chroniło niższe szerokości geograficzne przed promieniowaniem.

Lód powierzchniowy Enceladusa, księżyca Saturna, został zmapowany przez Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) na sondzie kosmicznej Cassini NASA/ESA/ASI. Sonda wykryła zarówno lód krystaliczny, jak i amorficzny, o wyższym stopniu krystaliczności w pęknięciach „tygrysich pasków” na powierzchni i bardziej amorficznym lodzie między tymi regionami. Krystaliczny lód w pobliżu tygrysich pasów można wytłumaczyć wyższymi temperaturami spowodowanymi aktywnością geologiczną, która jest przypuszczalną przyczyną pęknięć. Amorficzny lód można wytłumaczyć szybkim zamrażaniem z kriowulkanizmu, szybką kondensacją cząsteczek z gejzerów wodnych lub napromieniowaniem wysokoenergetycznych cząstek z Saturna.

Mezosfera polarna Ziemi

Chmury lodowe tworzą się na i poniżej mezopauzy o dużej szerokości geograficznej Ziemi (~90 km), gdzie zaobserwowano spadek temperatury poniżej 100 K. Sugerowano, że jednorodne zarodkowanie cząstek lodu skutkuje amorficznym lodem o niskiej gęstości. Amorficzny lód jest prawdopodobnie ograniczony do najzimniejszych części chmur i uważa się, że układanie nieuporządkowanego lodu I dominuje w innych miejscach polarnych mezosferycznych chmur .

Zastosowania

Lód amorficzny jest używany w niektórych eksperymentach naukowych, zwłaszcza w mikroskopii krioelektronowej biomolekuł. Poszczególne cząsteczki można zachować do obrazowania w stanie zbliżonym do stanu w ciekłej wodzie.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki