Витрификация (от лат. vitrum 'стекло', через фр. vitrifier ) - это полное или частичное превращение вещества в стекло , [1] то есть некристаллическое или аморфное твердое тело . Стекла отличаются от жидкостей структурно, и стекла обладают более высокой степенью связности с той же размерностью Хаусдорфа связей, что и кристаллы: dim H = 3. [2] В производстве керамики витрификация отвечает за ее непроницаемость для воды . [3]
Стеклование обычно достигается путем нагревания материалов до тех пор, пока они не превратятся в жидкость, а затем охлаждения жидкости, часто быстро, так что она проходит через стеклование, образуя стекловидное твердое тело. Некоторые 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] Тепловые флуктуации разрушают связи; поэтому, чем ниже температура , тем выше степень связности. Из-за этого аморфные материалы имеют характерную пороговую температуру, называемую температурой стеклования ( Tg ) : ниже Tg аморфные материалы стеклообразны, тогда как выше Tg они расплавлены.
Наиболее распространенными сферами применения являются производство керамики , стекла и некоторых видов продуктов питания, но есть и множество других, например, витрификация жидкости, похожей на антифриз, при криоконсервации .
В другом смысле слова, встраивание материала в стеклообразную матрицу также называется остекловыванием . Важным применением является остекловывание радиоактивных отходов для получения вещества, которое считается более безопасным и стабильным для утилизации.
В одном исследовании предполагается [5] [6] [7] [8] что во время извержения Везувия в 79 году нашей эры мозг жертвы был остеклован экстремальным жаром вулканического пепла ; однако это активно оспаривается. [9]
Витрификация — это прогрессирующее частичное расплавление глины или тела в результате процесса обжига . По мере того, как происходит витрификация, доля стекловидной связи увеличивается, а видимая пористость обожженного продукта становится постепенно ниже. [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 является ASTM , которое заявляет: «Термин стекловидный обычно означает водопоглощение менее 0,5%, за исключением напольной и настенной плитки и низковольтных электроизоляторов , которые считаются стекловидными при водопоглощении до 3%». [14]
Керамика может быть сделана непроницаемой для воды путем глазурования или витрификации. Фарфор , костяной фарфор и сантехника являются примерами витрифицированной керамики и непроницаемы даже без глазури. Керамика может быть витрифицированной или полу-витрифицированной; последний тип не будет непроницаемым без глазури. [15] [3] [16]
При медленном охлаждении сахарозы получается кристаллический сахар (или леденцы ), но при быстром охлаждении может образоваться сиропообразная сладкая вата (сахарная вата).
Витрификация может также происходить в жидкости, такой как вода, обычно посредством очень быстрого охлаждения или введения агентов, подавляющих образование кристаллов льда . Это отличается от обычного замораживания , которое приводит к образованию кристаллов льда. Витрификация используется в криоэлектронной микроскопии для охлаждения образцов настолько быстро, что их можно визуализировать с помощью электронного микроскопа без повреждения. [17] [18] В 2017 году Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку этой технологии, которая может использоваться для визуализации таких объектов, как белки или вирусные частицы. [19]
Обычное натриево-кальциевое стекло , используемое в окнах и питьевых емкостях, 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.
Витрификация используется при утилизации и долгосрочном 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 невыщелачиваемый , прочный материал, который эффективно удерживает отходы внутри. Широко распространено мнение, что такие отходы могут храниться в течение относительно длительного времени в этой форме, не беспокоясь о загрязнении воздуха или грунтовых вод . Массовая витрификация использует электроды для расплавления почвы и отходов там, где они захоронены. Затвердевшие отходы затем могут быть извлечены с меньшей опасностью широкомасштабного загрязнения. По данным Pacific Northwest National Labs , «Витрификация запирает опасные материалы в стабильной стеклянной форме, которая прослужит тысячи лет». [21]
Витрификация в криоконсервации используется для сохранения, например, человеческих яйцеклеток ( ооцитов ) (при криоконсервации ооцитов ) и эмбрионов (при криоконсервации эмбрионов ). Она предотвращает образование кристаллов льда и является очень быстрым процессом: -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 ведут исследования по применению витрификации ко всему телу.
Многие древесные растения, живущие в полярных регионах, естественным образом витрифицируют свои клетки, чтобы пережить холод. Некоторые из них могут выдержать погружение в жидкий азот и жидкий гелий . [22] Витрификация также может использоваться для сохранения находящихся под угрозой исчезновения видов растений и их семян. Например, считается, что трудно сохранить неподатливые семена . Раствор для витрификации растений (PVS), одно из применений витрификации, успешно сохранил семена Nymphaea caerulea . [23]
Добавки, используемые в криобиологии или вырабатываемые естественным образом организмами, обитающими в полярных регионах, называются криопротекторами .