Витрификация
Витрификация (от лат. vitrum «стекло», через французское vitrifier ) — полное или частичное превращение вещества в стекло , [1] то есть некристаллическое аморфное твердое вещество . Стекла структурно отличаются от жидкостей и обладают более высокой степенью связности при той же хаусдорфовой размерности связей, что и кристаллы: dim H = 3. [2] В производстве керамики витрификация обеспечивает ее водонепроницаемость . [3]
Стеклование обычно достигается путем нагрева материалов до тех пор, пока они не станут жидкими, а затем охлаждения жидкости, часто быстрого, так, чтобы она прошла через стеклование и образовала стеклообразное твердое вещество. Определенные химические реакции также приводят к образованию стекол.
С точки зрения химии стеклование характерно для аморфных материалов или неупорядоченных систем и происходит, когда связь между элементарными частицами ( атомами , молекулами , образующими блоки) становится выше определенного порогового значения. [4] Термические колебания разрушают связи; следовательно, чем ниже температура , тем выше степень связности. аморфные материалы имеют характерную пороговую температуру, называемую температурой стеклования ( Tg Из- за ): ниже Tg этого аморфные материалы являются стекловидными, тогда как выше Tg они расплавляются.
Наиболее распространенными применениями являются изготовление керамики , стекла и некоторых видов продуктов питания, но есть и множество других, например, остекловывание антифризоподобной жидкости при криоконсервации .
В другом смысле этого слова внедрение материала внутрь стекловидной матрицы еще называют витрификацией . Важным применением является остекловывание радиоактивных отходов для получения вещества, которое считается более безопасным и стабильным для утилизации.
Одно исследование предполагает [5] [6] [7] [8] во время извержения Везувия в 79 году нашей эры жертвы мозг остекловывался под воздействием сильного жара вулканического пепла ; однако это активно оспаривается. [9]
Керамика
[ редактировать ]Витрификация — это постепенное частичное плавление глины или тела в результате процесса обжига . По мере остеклования доля стекловидной связи увеличивается, а кажущаяся пористость обожженного продукта постепенно снижается. [3] [10] Стекловидные тела имеют открытую пористость и могут быть как непрозрачными , так и полупрозрачными . В этом контексте «нулевая пористость» может быть определена как водопоглощение менее 1%. Однако различные стандартные процедуры определяют условия водопоглощения. [11] [12] [13] Примером может служить ASTM , в котором говорится: «Термин стекловидный обычно означает поглощение менее 0,5%, за исключением напольной и настенной плитки и низковольтных электрических изоляторов , которые считаются стекловидными до поглощения воды до 3%». [14]
Керамику можно сделать непроницаемой для воды путем глазурования или остеклования. Фарфор , костяной фарфор и сантехника являются примерами остеклованной керамики и непроницаемы даже без глазури. Керамическая посуда может быть остеклованной или полустеклованной; последний тип не был бы непроницаемым без глазури. [15] [3] [16]
Приложения
[ редактировать ]При медленном охлаждении сахарозы образуется кристаллический сахар (или леденец ), но при быстром охлаждении она может образовывать сиропообразную сладкую вату (сахарную вату).
Витрификация также может происходить в такой жидкости, как вода, обычно за счет очень быстрого охлаждения или введения агентов, подавляющих образование кристаллов льда . В этом отличие от обычного замораживания , которое приводит к образованию кристаллов льда. Витрификация используется в криоэлектронной микроскопии для настолько быстрого охлаждения образцов, чтобы их можно было визуализировать с помощью электронного микроскопа без повреждений. [17] [18] В 2017 году за разработку этой технологии, которую можно использовать для изображения таких объектов, как белки или вирусные частицы, была присуждена Нобелевская премия по химии. [19]
Обычное натриево-известковое стекло , используемое в окнах и емкостях для питья, создается путем добавления карбоната натрия и извести ( оксида кальция ) к диоксиду кремния . Без этих добавок диоксиду кремния потребовалась бы очень высокая температура для получения расплава, а затем (при медленном охлаждении) стекла.
Стеклование используется при утилизации и долговременном хранении ядерных отходов или других опасных отходов. [20] методом, называемым геоплавлением . Отходы смешиваются со стеклообразующими химикатами в печи для образования расплавленного стекла, которое затем затвердевает в канистрах, тем самым обездвиживая отходы. Окончательная форма отходов напоминает обсидиан и представляет собой невыщелачивающийся прочный материал, который эффективно удерживает отходы внутри. Широко распространено мнение, что такие отходы могут храниться в таком виде в течение относительно длительного периода времени, не беспокоясь о воздуха или грунтовых вод загрязнении . При массовой остекловывании используются электроды , которые плавят почву и отходы там, где они захоронены. Затем затвердевшие отходы можно будет извлечь с меньшей опасностью широкого загрязнения. По данным Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории , «остеклование удерживает опасные материалы в стабильной стеклянной форме, которая прослужит тысячи лет». [21]
Витрификация при криоконсервации
[ редактировать ]Витрификация при криоконсервации применяется для сохранения, например, яйцеклеток человека ( ооцитов ) (при криоконсервации ооцитов ) и эмбрионов (при криоконсервации эмбрионов ). Он предотвращает образование кристаллов льда и представляет собой очень быстрый процесс: -23 000°C/мин.
В настоящее время методы витрификации применяются только к мозгу ( нейровитрификация ) компанией Alcor и к верхней части тела Институтом крионики , но обе организации продолжают исследования по применению витрификации ко всему телу.
Многие древесные растения, обитающие в полярных регионах, естественным образом остекловывают свои клетки, чтобы пережить холод. Некоторые могут выжить при погружении в жидкий азот и жидкий гелий . [22] Витрификацию также можно использовать для сохранения исчезающих видов растений и их семян. Например, непокорные семена считаются трудными для сохранения. Раствор для витрификации растений (PVS), один из вариантов витрификации, успешно сохранил Nymphaea caerulea . семена [23]
Добавки, используемые в криобиологии или вырабатываемые естественным путем организмами, обитающими в полярных регионах, называются криопротекторами .
| Формула | Т г (Сред., °С) |
| 1М сахароза | -30.9 |
| 1М глюкоза | -41.3 |
| 1М трегалоза | -68.0 |
| 50% сахароза + 50% глицерин (PVS3) | -90.7 |
| 50% сахароза + 50% ЭГ | -101.1 |
| 50% сахароза + 50% ПГ | -89.1 |
| 75% сахароза + 25% глицерин | -81.2 |
| 75% сахароза + 25% ЭГ | -80.7 |
| 75% сахароза + 25% ПГ | -63.6 |
| 25% сахароза + 75% глицерин | -91.3 |
| 25% сахароза + 75% ЭГ | -108.9 |
| 25% сахароза + 75% ПГ | -98.0 |
См. также
[ редактировать ]Литература
[ редактировать ]- Стивен Эшл (июнь 2002 г.). «Разделяй и витрифицируй» (PDF) . Научный американец . 286 (6): 17–19. Бибкод : 2002SciAm.286f..17A . doi : 10.1038/scientificamerican0602-17 . Проверено 10 мая 2015 г.
- Стефан Ловгрен, «Трупы, замороженные для будущего возрождения компанией Arizona» , март 2005 г., National Geographic.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Варшнея, АК (2006). Основы неорганических стекол . Шеффилд: Общество технологий стекла .
- ^ Рише, Паскаль (2021). Энциклопедия стекольной науки, технологии, истории и культуры . Хобокен, Нью-Джерси : Американское керамическое общество . ISBN 978-1-118-79949-9 . OCLC 1228229824 .
- ^ Перейти обратно: а б с Додд, Артур; Мерфин, Дэвид (1994). Словарь керамики (3-е изд.). Лондон: Институт минералов . ISBN 0901716561 .
- ^ Оджован, Мичиган; Ли, МЫ (2010). «Связность и стеклование в неупорядоченных оксидных системах». Журнал некристаллических твердых тел . 356 (44–49): 2534–2540. Бибкод : 2010JNCS..356.2534O . doi : 10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012 .
- ^ Петроне, Пьерпаоло; Пуччи, Пьеро; Ниола, Массимо; Бакстер, Питер Дж.; Фонтанароза, Каролина; Джордано, Гвидо; и др. (2020). «Вызванная теплом витрификация мозга в результате извержения Везувия в 79 году нашей эры» . Медицинский журнал Новой Англии . 382 (4): 383–384. дои : 10.1056/NEJMc1909867 . ПМИД 31971686 .
- ^ Петроне, Пьерпаоло; Пуччи, Пьеро; Ниола, Массимо; Бакстер, Питер Дж.; Фонтанароза, Каролина; Джордано, Гвидо; и др. (23 января 2020 г.). «Дополнительное приложение к: Петроне П., Пуччи П., Ниоле М. и др. Витрификация мозга, вызванная теплом, в результате извержения Везувия в 79 году нашей эры» (PDF) . Медицинский журнал Новой Англии . 382 (4): 383–384. дои : 10.1056/NEJMc1909867 . ПМИД 31971686 . Проверено 13 сентября 2020 г.
- ^ Пинковски, Дженнифер (23 января 2020 г.). «Мозги превратились в стекло? Задохнулись в эллингах? Жертвы Везувия приобрели новый облик» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 13 сентября 2020 г.
- ^ «Извержение Везувия: сильная жара превратила человеческий мозг в стекло » . Новости Би-би-си . Би-би-си . 23 января 2020 г. Проверено 24 января 2020 г.
- ^ Мортон-Хейворд, Александра Л.; Томпсон, Тим; Томас-Оутс, Джейн Э .; Бакли, Стивен; Петцольд, Аксель; Рамсё, Эбигейл; О'Коннор, Коллинз; О'Коннор, Мэтью Дж. (2020). «Сознательное переосмысление: почему ткань мозга обычно сохраняется в археологических записях? Комментарий к: Петроне П., Пуччи П., Ниола М. и др. Витрификация мозга, вызванная нагреванием, в результате извержения Везувия в 79 году нашей эры. N Engl J Med 2020; 382:383-4. ДОИ: 10.1056/NEJMc1909867» . TSTAR: Наука и технология археологических исследований . 6 (1): 87–95. дои : 10.1080/20548923.2020.1815398 .
- ^ «Роль дополнительных минералов в остекловывании составов белой посуды». Н.М.Гонейм; ЭХСаллам; ДМ Эбрагим. Керам.Инт. 16. №1. 1990.
- ^ Белые изделия: производство, тестирование и контроль качества. Уильям Райан и Чарльз Рэдфорд. Институт материалов, 1997 г.
- ^ «Методы расширения узкого диапазона витрификации глин». EV Glass & Ceramics 36, (8), 450, 1979.
- ^ «Контроль оптимальной витрификации стекловидных и фарфоровых тел». Э.Синьорини. Керам.Инф. 26. №301. 1991 год
- ^ ASTM C242-01. «Стандартная терминология керамической посуды и сопутствующих товаров».
- ^ «Культуристы». Дж.Ахмед. Азиатская керамика. июнь 2014 г. [ нужна полная цитата ]
- ^ «Введение в технологию гончарного дела». Пол Радо, Институт керамики. 1988.
- ^ Дубоше, Дж.; Макдауэлл, AW (декабрь 1981 г.). «Витрификация чистой воды для электронной микроскопии» . Журнал микроскопии . 124 (3): 3–4. дои : 10.1111/j.1365-2818.1981.tb02483.x .
- ^ Дубочет, Дж. (март 2012 г.). «Крио-ЭМ-первые тридцать лет». Журнал микроскопии . 245 (3): 221–224. дои : 10.1111/j.1365-2818.2011.03569.x . ПМИД 22457877 . S2CID 30869924 .
- ^ «Нобелевская премия по химии присуждена за криоэлектронную микроскопию» . Нью-Йорк Таймс . 4 октября 2017 г. Проверено 4 октября 2017 г.
- ^ Оджован, Майкл И.; Ли, Уильям Э. (2011). «Стеклянные формы отходов для иммобилизации ядерных отходов» . Металлургические и сырьевые операции А . 42 (4): 837–851. Бибкод : 2011MMTA...42..837O . дои : 10.1007/s11661-010-0525-7 .
- ^ «Расчеты выбросов форм отходов для оценки эффективности комплексного комплекса по захоронению отходов в 2005 году» (PDF) . ПННЛ-15198 . Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Июль 2005 года . Проверено 8 ноября 2006 г.
- ^ Стримбек, Греция; Шаберг, П.Г.; Фоссдал, КГ; Шредер, В.П.; Кьельсен, ТД (2015). «Толерантность древесных растений к экстремально низким температурам» . Границы в науке о растениях . 6 : 884. doi : 10.3389/fpls.2015.00884 . ПМЦ 4609829 . ПМИД 26539202 .
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Чунг-Хао (2016). Криоконсервация семян голубой кувшинки (Nymphaea caerulea) с использованием раствора для витрификации растений с добавлением глутатиона, PVS+ / Криоконсервация семян голубой кувшинки (Nymphaea caerulea) с использованием раствора для витрификации растений с добавлением глутатиона, PVS+ (PDF) . Национальный университет Цин Хуа OCLC 1009363362 .