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, отличающиеся в основном своей плотностью .

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 K, или путем сверхзатушения мелких капель микрометрового размера на держателе образцов, поддерживаемом при температуре жидкого азота , 77 K , 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 (<30 К) поверхностях, таких как межзвездные зерна. Молекулы воды не полностью выравниваются, чтобы создать структуру открытой клетки из аморфного льда низкой плотности. Многие молекулы воды оказываются в интерстициальных позициях. При нагревании выше 30 К структура выравнивается и переходит в форму с низкой плотностью.

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 астрофизических средах, где поток воды может быть низким. И наоборот, аморфный лед может образовываться при температурах выше, чем ожидалось, если поток воды высок, например, при мгновенном 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. В ближнем ИК диапазоне 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 (~ 12 а.е.).

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 холодны, чтобы сублимация водяного льда, который приближает кометную активность ближе к Солнцу, не может оказать 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. Неконтролируемая 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 Galileo спектроскопически нанес на карту 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 три других 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 внутреннего 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 внезапным замерзанием в результате криовулканизма, быстрой конденсацией молекул из водных 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.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки