Витрификация (от лат. vitrum «стекло», через французское vitrifier ) — это полное или частичное превращение вещества в стекло , [ 1] то есть в некристаллическое аморфное твердое вещество . Стекла отличаются от жидкостей структурно и обладают более высокой степенью связности при той же хаусдорфовой размерности связей, что и кристаллы: dim H = 3. [2] В производстве керамики за ее непроницаемость для воды отвечает остеклование . [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. Из-за этого аморфные материалы имеют характерную пороговую температуру, называемую температурой стеклования ( T g ): ниже T g аморфные материалы являются стекловидными, тогда как выше T g 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 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 показывает, что [5] [6] [7] [8] во время извержения Везувия в 79 году нашей эры мозг жертвы остекловывался под воздействием сильного жара вулканического пепла ; однако это активно оспаривается. [9]
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 непрозрачными или полупрозрачными . В этом контексте «нулевая пористость» может быть определена как водопоглощение менее 1%. Однако различные стандартные процедуры определяют условия водопоглощения. [11] [12] [13] Примером является ASTM , в котором говорится: «Термин стекловидное тело обычно означает поглощение менее 0,5%, за исключением напольной и настенной плитки, а также низковольтных электрических изоляторов , которые считаются стекловидными до 3%». впитывание воды." [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]
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 Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку этой технологии, которую можно использовать для изображения таких объектов, как белки или вирусные частицы. [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 удалении 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 загрязнении воздуха или грунтовых вод . 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 , «Витрификация удерживает опасные материалы в стабильной стеклянной форме, которая прослужит тысячи лет». [21]
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 семена Nymphaea caerulea . [23]
Добавки, используемые в криобиологии или вырабатываемые естественным путем организмами, обитающими в полярных регионах, называются криопротекторами .
{{cite book}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка )