Ամորֆ սառույց

Ամորֆ սառույց, ջուր է` նյութի ամորֆ պինդ վիճակում, որում ջրի մոլեկուլները պատահականորեն են տեղակայված, ինչպես ատոմները սովորական ապակու մեջ։ Ամենից հաճախ բնության մեջ սառույցը գտնվում է բազմաբյուրեղ վիճակում։

Ամորֆ սառույցը տարբերվում է նրանով, որ բյուրեղում բացակայում է բյուրեղային կառուցվածքի հեռակա կարգը:Ամորֆ սառույցը ստացվում է ջրի ծայրահեղ արագ սառեցմամբ (վայրկյանում 1 000 000 Կ կարգի արագությամբ), այնպես, որ մոլեկուլները չեն հասցնում կազմել բյուրեղային ցանց։

Նույն կերպ, քանի որ սառույցի բյուրեղային շատ ձևեր կան (տասնմեկ փոփոխություններ ներկայումս հայտնի են), կան նաև ամորֆ սառույցի տարբեր ձևեր, որոնք հիմնականում տարբերվում են խտությամբ։

Ստացման եղանակներ

Գրեթե ցանկացած բյուրեղային նյութ կարող է արագ սառեցման միջոցով վերածվել հալույթից`մետաստաբիլ ամորֆ վիճակի։ Հետևաբար, ամորֆ սառույց ստանալու բանալին սառեցման արագությունն է։ Ջուրը պետք է սառեցնել մինչև ապակենման վիճակի անցման ջերմաստիճանը (մոտ 136 Կ կամ −137 °C) մի քանի միլիվայրկյանում`բյուրեղային ցանցի ինքնաբերաբար առաջացումից խուսափելու համար։

Ճնշումը ամորֆ սառույց ստանալու ևս մեկ կարևոր գործոն է։ Բացի այդ, ճնշումը փոխելով, ամորֆ սառույցը կարող է մի տեսակից վերածվել մեկ այլ տեսակի։

Ջրի մեջ կարելի է ավելացնել հատուկ քիմիական նյութեր `կրիոպրոտեկտորներ, որոնք իջեցնում են դրա սառեցման ջերմաստիճանը և ավելացնում մածուցիկությունը, ինչը կանխում է բյուրեղների ձևավորումը։ Ապակենման վիճակի անցումը առանց կրիոպրոտեկտորների ավելացման կարելի էհասնել շատ արագ սառեցման դեպքում։ Այս մեթոդները կենսաբանության մեջ օգտագործվում են բջիջների և հյուսվածքների գաղտնազերծման համար։

Ամորֆ սառույցի տարատեսակներ

Ամորֆ սառույցը գոյություն ունի երեք հիմնական ձևով՝ ցածր խտության ամորֆ սառույց (ՑԽԱՍ կամ LDA), որը ձևավորվում է մթնոլորտային և մթնոլորտայինից ցածր ճնշումների տակ,բարձր խտության ամորֆ սառույց (ԲԽԱՍ կամ HDA) և շատ բարձր խտության ամորֆ սառույց (ՇԲԽԱՍ կամ VHDA):  

Ցածր խտության ամորֆ սառույց

Առաջին անգամ 0,93 գ /սմ³ խտությամբ ամորֆ սառույց ստացվեց, երբ ջրային գոլորշին նստեցրին 163 Կ-ից ցածր սառեցված պղնձե թիթեղին, այն նաև ամորֆ պինդ ջուր է կամ ապակենման ջուր։ Այժմ լաբորատորիաներում նույն մեթոդով ստանում են ՑԽԱՍ՝ 120 Կ-ից ցածր ջերմաստիճանում։ Ակնհայտ է, որ տիեզերքում այդպիսի սառույցը նման ձևով առաջանում է տարբեր սառը մակերևույթների վրա, օրինակ՝ փոշու մասնիկների։ Ենթադրվում է, որ այս սառույցը բավականին տարածված է գիսաստղերի կազմի մեջ և առկա է արտաքին մոլորակների վրա^[1]։

Եթե փոխվի թիթեղի ջերմաստիճանը և նստեցման արագությունը, ապա կարելի է այլ խտությամբ սառույց ստանալ։ Այսպիսով, 77 Կ–ում և 10 մգ/ժամ նստեցման արագությամբ ստացվում է 0,94 գ /սմ³ խտությամբ սառույց, իսկ 10 Կ–ում և 4 մգ /ժամ արագությամբ՝ 1,1 գ /սմ³, իսկ դրա կառուցվածքը, չնայած զուրկ է հեռակա կարգից, պարզվում է, շատ ավելի բարդ է, քան նախորդ ամորֆ սառույցինը։ Դեռևս պարզ չէ. ամորֆ սառույցի նու՞յն ձևափոխումն (0,94 գ / սմ³ խտությամբ) է ձևավորվում ԲԽԱՍ-ի տաքացման և գոլորշու նստեցման ժամանակ, թե՞ դրանք տարբերվում են։

Բարձր խտության ամորֆ սառույց

Բարձր խտությամբ ամորֆ սառույց կարելի է ստանալ`~140 Կ-ից ցածր ջերմաստիճաններում սառույց I<sub>h</sub>-ն ճնշելով։ 77 Կ ջերմաստիճանում, ԲԽԱՍ-ն ձևավորվում է սովորական բնական սառույց I<sub>h</sub>-ից`մոտ 1,6 ԳՊա ճնշման տակ^[2], իսկ ՑԽԱՍ-ից ՝ մոտ 0,5 ԳՊա ճնշման տակ^[3]:77 Կ ջերմաստիճանում և 1 ԳՊա ճնշման պայմաններում ԲԽԱՍ-ի խտությունը 1.3 գ / սմ³ է։ Եթե ճնշումը ցածրացվի մինչև մթնոլորտային, ԲԽԱՍ-ի խտությունը կնվազի 1.3 գ /սմ³-ից մինչև 1,17 գ /սմ³^[2], բայց 77 Կ ջերմաստիճանում այն պահպանվում է անվերջ երկար։

Եթե բարձր խտության սառույցը տաքացվի նորմալ ճնշման տակ, այն չի վերածվի սկզբնական սառույց I_h- ի, այլ դրա փոխարեն կառաջանա ամորֆ սառույցի ևս մեկ փոփոխություն՝ այս անգամ ցածր խտությամբ՝ 0,94 գ /սմ³: Այս սառույցը 150 Կ-ի սահմաններում հետագա տաքացումից հետո բյուրեղանում է, բայց կրկին ոչ թե սկզբնական սառույց I_h-ի է վերածվում, այլ ընդունում է սառույց Ic-ի խորանարդաձև տեսքը։

Շատ բարձր խտության ամորֆ սառույց

ՇԲԽԱՍ-ն ստացվեց 1996-ին, երբ հայտնաբերվեց, որ եթե ԲԽԱՍ-ն 1-ից 2 ԳՊա ճնշման սահմաններում տաքացվի մինչև 160 Կ, ապա այն կդառնա ավելի խիտ, իսկ մթնոլորտային ճնշման պայմաններում դրա խտությունը 1.26 գ /սմ³ է^[4][5]։

Որոշ առանձնահատկություններ

• Ծանր ամորֆ սառույցները կարող էին լիովին ընկղմվել սովորական ջրի մեջ, բայց դա տեղի չի ունենում. Մի փոքր տաքանալիս, դրանք կվերածվեն բյուրեղային սառույցի, որի խտությունը պարզվում է փոքր է ջրի խտությունից, և այն նախքան հալվելը, լողում է ջրի մակերևույթին։ Խստորեն ասած, «հալում» բառը կիրառելի չէ ամորֆ սառույցի համար, քանի որ այս գործընթացը տեղի է ունենում ջերմաստիճանների այնպիսի սահմաններում, որը անգլերենում կոչվում է «փափկացում»(«softening»):
• Չլուծված խնդիրներից մեկը կապված է ամորֆ սառույցների հալման հետ։ Սառույց վիճակի փուլային գծապատկերում ցածր և բարձր խտությունների ամորֆ սառույցների միջև ընկած սահմանը ձգվում է մինչև հեղուկ փուլի շրջանը։ Դրանից բխում է, որ այս սառույցներից յուրաքանչյուրը հալվելիս, համապատասխանաբար, պետք է ստացվի ավելի քիչ և ավելի խիտ ջուր, և այս երկու ջրերի միջև տեսակարար ծավալային տարբերությունը կարող է հասնել 20%-ի:Այս հալման ջերմաստիճանը ընկած է 130-ից 200 Կ-ի սահմաններում (կախված ճնշումից)։ Կարելի է ենթադրել, որ դեռ կա մի կետ, որտեղ գոյություն ունեն երեք հեղուկ փուլ ՝ երկուսը համապատասխանում են փափկեցված ՑԽԱՍ-ին և ԲԽԱՍ-ին, և մեկը համապատասխանում է սովորական հեղուկին։ Փուլային գծապատկերում դրա կոորդինատներն են`0,1 ԳՊա և 200 Կ:Ամորֆ սառույցները հնարավոր չէ միանգամից փոխակերպել հեղուկի. մինչև մոտ 150 Կ տաքանալիս, դրանք դառնում են բյուրեղային սառույց:Իսկ այն հալվում է շատ ավելի բարձր ջերմաստիճանում։

Կիրառություն

Ամորֆ սառույցը օգտագործվում է որոշ գիտական փորձերում, հատկապես էլեկտրոնային կրիոմիկրոսկոպիայում, ինչը հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել կենսաբանական մոլեկուլները այնպիսի վիճակում, որը հեղուկ ջրի մեջ մոտ է իրենց բնական վիճակին^[6]։

Արտաքին հղումներ

Վիքիպահեստն ունի նյութեր, որոնք վերաբերում են «Ամորֆ սառույց» հոդվածին։

• С. М. Комарова Ледяные узоры высокого давления — Популярно о разновидностях льда, включая аморфный
• Международная группа ученых из США и Канады выявила аномальные свойства аморфного льда // Лента.Ру, 28 мая 2019
• Chaplin, Martin. (2008 թ․ հունիսի 23). «Amorphous Ice and Glassy Water». Water Structure and Science. Արխիվացված է օրիգինալից 2012 թ․ մարտի 25-ին. Վերցված է 2009 թ․ փետրվարի 22-ին.
• Об исследованиях АЛОВП (անգլ.)
• АЛВП в космосе (անգլ.)
• Структуры АЛВП (անգլ.)

Ծանոթագրություններ

1. Estimation of water-glass transition temperature based on hyperquenched glassy water experiments из Science (нужна регистрация).
2. 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).