Переохлаждение
Переохлаждение , [1] также известное как переохлаждение , [2] — это процесс понижения температуры жидкости или газа ниже точки замерзания без перехода в твердое состояние . Это достигается в отсутствие затравочного кристалла или ядра , вокруг которого может образоваться кристаллическая структура. Переохлаждение воды может быть достигнуто без каких-либо специальных методов, кроме химической деминерализации, до -48,3 ° C (-55 ° F). Капли переохлажденной воды часто присутствуют в слоисто - кучевых облаках . Самолет _пролетая через такое облако, происходит резкая кристаллизация этих капель, что может привести к образованию льда на крыльях самолета или блокировке его приборов и зондов.
Животные используют переохлаждение, чтобы выжить при экстремальных температурах, только в крайнем случае. Существует много методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, например, производство белков-антифризов , которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание молекул воды и распространение роста льда. [3] Зимняя камбала — одна из таких рыб, которая использует эти белки, чтобы выжить в своей холодной среде. У растений клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, ингибируют зародышеобразователи льда и заставляют воду проникать в переохлажденную ткань.
Одним из коммерческих применений переохлаждения является охлаждение . Морозильники могут охлаждать напитки до уровня переохлаждения, так что при открытии они образуют слякоть . Переохлаждение также успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице общего профиля и Гарвардской медицинской школе . Печень , которую позже трансплантировали животным-реципиентам, сохраняли путем переохлаждения до 96 часов (4 дня), что в четыре раза превышало пределы того, что можно было бы достичь с помощью обычных методов сохранения печени.
Жидкость, пересекающая стандартную точку замерзания, будет кристаллизоваться в присутствии затравочного кристалла или ядра , вокруг которого может образоваться кристаллическая структура, создающая твердое тело. В отсутствие таких зародышей жидкая фаза может сохраняться вплоть до температуры, при которой происходит гомогенное зародышеобразование кристалла . [4]
Гомогенное зародышеобразование может происходить выше температуры стеклования , но если гомогенное зародышеобразование не произошло выше этой температуры, образуется аморфное (некристаллическое) твердое вещество.
Вода обычно замерзает при 273,15 К (0 ° C или 32 ° F), но ее можно «переохладить» при стандартном давлении до кристаллического гомогенного зародышеобразования почти при 224,8 К (-48,3 ° C / -55 ° F). [5] [6] Процесс переохлаждения требует, чтобы вода была чистой и не содержала центров зародышеобразования , что может быть достигнуто с помощью таких процессов, как обратный осмос или химическая деминерализация , но само охлаждение не требует какой-либо специальной техники. Если воду охлаждать со скоростью порядка 10 6 К/с, можно избежать зарождения кристаллов и вода превратится в стекло .— то есть аморфное (некристаллическое) твердое тело. Его температура стеклования намного ниже и ее труднее определить, но исследования оценивают ее примерно в 136 К (-137 ° C / -215 ° F). [7] Стекловидную воду можно нагреть приблизительно до 150 К (-123 °C/-189,4 °F) без образования зародышей. [6] В диапазоне температур от 231 К (-42 °C/-43,6 °F) до 150 К (-123 °C/-189,4 °F) эксперименты обнаруживают только кристаллический лед.
