Суықтандыру: Сұйықтың қату температурасынан төмендетіп, қатты күйге өтпеуі. Ядро болмағанда жүзеге асады. Табиғатта да кездеседі, судың ерекше қасиеті.
Lowering the temperature of a liquid below its freezing point without it becoming a solid
Суперсалқындату, сондай-ақ сужеткілік салқындату деп те аталады, бұл сұйықтың температурасын қатып қалмай, қату нүктесінен төмендету процесі. Бұл кристалл құрылымының пайда болуына негіз болатын тұқым кристаллының немесе ядроның болмауы арқасында мүмкін болады. Суды суперсалқындатуды химиялық минералсыздандырудан басқа ерекше әдістер қолданбай-ақ қол жеткізуге болады. Суперсалқындатылған су атмосфера, жануарлар немесе өсімдіктер сияқты табиғи жағдайларда кездесуі мүмкін.
Supercooling, also known as undercooling, is the process of lowering the temperature of a liquid below its freezing point without it becoming a solid. It is achieved in the absence of a seed crystal or nucleus around which a crystal structure can form. The supercooling of water can be achieved without any special techniques other than chemical demineralization, down to Supercooled water can occur naturally, for example in the atmosphere, animals or plants.
Түсіндірме
Суықтық өзінің стандартты мұздау нүктесінен өтіп, тұқым кристаллының немесе ядроның болуымен кристаллданады, оның айналасында кристаллдық құрылым қалыптасып, қатты зат пайда болады. Мұндай ядролар болмағандықтан, сұйық фаза кристаллдың біртекті ядролануы болатын температураға дейін сақталуы мүмкін. Гомогенді ядролану шыны өтпе температурасынан жоғары кездеседі, бірақ егер гомогенді ядролану осы температурадан жоғары кездеспесе, аморфты (кристалл емес) қатты дене пайда болады. Су әдетте 0°C-та қатып қалады, бірақ оны стандартты қысымда "супер-салқындату" арқылы кристаллдың біртекті ядролануына дейін шамамен -40°C-қа дейін салқындатуға болады. "Супер-салқындату" процесінде су таза және ядролану орындарынан бос болуы керек, бұл кері осмоз немесе химиялық деминерализация сияқты процестер арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, бірақ салқындатудың өзі арнайы техниканы қажет етпейді. Егер су 106 К/с жылдамдықпен салқындатылса, кристалл ядросының пайда болуын болдырмауға болады және су шыныға айналады, яғни аморфты (кристалл емес) қатты денеге айналады. Оның шыныға айналу температурасы әлдеқайда суық және анықтау қиын, бірақ зерттеулер оны шамамен -135°C деп есептейді. Шыны тәрізді суді ядроланусыз шамамен 40°C-қа дейін қыздыруға болады. Белгілі бір қысымда сұйықтықты газдық күйге айналдырмай қайнау температурасынан жоғары қыздыруға болады. Суперсуытуды мұздау нүктесінің төмендеуімен шатастыруға болмайды. Суперсуыту - сұйықтықтың қатты күйге айналмастан, мұздату нүктесінен төмен суытуы. Тоңазыту нүктесінің төмендеуі - ерітінді ерітіндіге еріген заттың болуынан таза сұйықтықтың тоңазыту нүктесінен төмендей алатын кезде; мұның мысалы - таза суға тұз қосылған кезде пайда болатын тоңазыту нүктесінің төмендеуі.
A liquid crossing its standard freezing point will crystalize in the presence of a seed crystal or nucleus around which a crystal structure can form creating a solid. Lacking any such nuclei, the liquid phase can be maintained all the way down to the temperature at which crystal homogeneous nucleation occurs. Homogeneous nucleation can occur above the glass transition temperature, but if homogeneous nucleation has not occurred above that temperature, an amorphous (non crystalline) solid will form. Water normally freezes at , but it can be "supercooled" at standard pressure down to its crystal homogeneous nucleation at almost The process of supercooling requires water to be pure and free of nucleation sites, which can be achieved by processes like reverse osmosis or chemical demineralization, but the cooling itself does not require any specialised technique. If water is cooled at a rate on the order of 106 K/s, the crystal nucleation can be avoided and water becomes a glass—that is, an amorphous (non crystalline) solid. Its glass transition temperature is much colder and harder to determine, but studies estimate it at about Glassy water can be heated up to approximately without nucleation occurring. It is possible, at a given pressure, to superheat a liquid above its boiling point without it becoming gaseous. Supercooling should not be confused with freezing point depression. Supercooling is the cooling of a liquid below its freezing point without it becoming solid. Freezing point depression is when a solution can be cooled below the freezing point of the corresponding pure liquid due to the presence of the solute; an example of this is the freezing point depression that occurs when salt is added to pure water.
Жануарларда
Кейбір жануарлар белгілі бір ортадағы қатал суыққа төзу үшін суперсуыну құбылысын пайдаланады, бұл оларға қатып қалмай, жасушалардың зақымдануынан және өлімінен сақтануға мүмкіндік береді. Сұйық күйін сақтауға көмектесетін көптеген тәсілдер бар, мысалы, антифриз ақуыздарын (AFP) өндіру. Бұл ақуыздар мұз кристалдарына байланысып, су молекулаларының бірігуіне және мұздың өсуіне кедергі келтіреді. Қысқы палтус – осы ақуыздарды мұзды ортада тіршілік ету үшін пайдаланатын балықтардың бірі. Бауыр қанға колликациялық емес ақуыздарды бөліп шығарады. Басқа жануарлар колликативті антифриздерді қолданады, бұл олардың дене сұйықтықтарындағы ерітілген заттардың концентрациясын арттырып, мұздану температурасын төмендетеді. Суперсуынуға сүйенетін балықтар судың бетінен тереңде өмір сүруі керек, себебі мұз ядроларымен жанасқан жағдайда олар дереу қатып қалады. Тіршілік ету үшін суперсуынуға ұшырайтын жануарлар өз денелерінен мұздың пайда болуын қозғаушы заттарды жоюы керек, өйткені олар қату процесінің бастапқы нүктесі болып табылады. Суперсуыну кейбір жәндіктерде, бауырымен жорғалаушыларда және басқа да эктотермдік түрлерде кең таралған құбылыс. Картоптың цисталық нематодасының личинкасы (Globodera rostochiensis) цистаның ішінде, тіпті мұзбен қапталғанда да, суперсуытылған күйде 0,7°C-тан төмен температурада тіршілік ете алады. Жануар өзінің балқу температурасынан алшақтайтын сайын, оның ішкі сұйықтықтарының спонтанды түрде қату мүмкіндігі күрт артады, себебі бұл термодинамикалық тұрақсыз күй. Сұйықтықтар ақырында суперсуыну нүктесіне жетеді, яғни олардың қалыпты мұздану температурасынан айтарлықтай төмен болғандықтан, өздігінен қатып қалады. Жануарлар бей-жай түрде суперсуынуға ұшырайды және суперсуытылғаннан кейін ғана қату ықтималдығын азайта алады. Суперсуыну тіршілік үшін маңызды болса да, оның қауіптері де бар.
In order to survive extreme low temperatures in certain environments, some animals use the phenomenon of supercooling that allow them to remain unfrozen and avoid cell damage and death. There are many techniques that aid in maintaining a liquid state, such as the production of antifreeze proteins, or AFPs, which bind to ice crystals to prevent water molecules from binding and spreading the growth of ice. The winter flounder is one such fish that utilizes these proteins to survive in its frigid environment. The liver secretes noncolligative proteins into the bloodstream. Other animals use colligative antifreezes, which increases the concentration of solutes in their bodily fluids, thus lowering their freezing point. Fish that rely on supercooling for survival must also live well below the water surface, because if they came into contact with ice nuclei they would freeze immediately. Animals that undergo supercooling to survive must also remove ice nucleating agents from their bodies because they act as a starting point for freezing. Supercooling is also a common feature in some insect, reptile, and other ectotherm species. The potato cyst nematode larva (Globodera rostochiensis) could survive inside their cysts in a supercooled state to temperatures as low as , even with the cyst encased in ice. As an animal gets farther and farther below its melting point the chance of spontaneous freezing increases dramatically for its internal fluids, as this is a thermodynamically unstable state. The fluids eventually reach the supercooling point, which is the temperature at which the supercooled solution freezes spontaneously due to being so far below its normal freezing point. Animals unintentionally undergo supercooling and are only able to decrease the odds of freezing once supercooled. Even though supercooling is essential for survival, there are many risks associated with it.
Өсімдіктерде
Өсімдіктер қыс айларында туындайтын қатал суық жағдайларға да төтеп бере алады. Солтүстік климатта өсетін көптеген өсімдік түрлері осы суық жағдайларға суперсуыту арқылы бейімделеді, осылайша бұл өсімдіктер өте төмен температурада тіршілік етеді. Бұл суперсуыту құбылысы толыққанды түсіндірілмесе де, инфрақызыл термография арқылы анықталған. Мұз ядросы өсімдіктің белгілі бір мүшелері мен тіндерінде пайда болады, мүмкін, ксилема тінінен басталып, өсімдіктің қалған бөліктеріне таралады. Инфрақызыл термография су тамшыларының жасушадан тыс кеңістікте кристалдануын көруге мүмкіндік береді. Суперсуыту мұз ядросы арқылы ұлпа ішінде мұздың пайда болуын тежейді, жасушаларға суды сұйық күйде сақтауға және жасуша ішіндегі суды жасушадан тыс мұздан бөлек ұстауға мүмкіндік береді. Өсімдіктердің ксилемасы мен негізгі тіндері жасушадағы судың көп мөлшеріне байланысты суық температураға өте сезімтал. Солтүстік климаттағы көптеген боралдық қатты ағаш түрлері бұталарға мұздың таралуын болдырмау қабілетіне ие, бұл өсімдікке суыққа төзімділік танытады. Суперсуыту мәңгі жасыл Rhododendron ferrugineum және Vaccinium vitis idaea бұталарында, сондай-ақ Abies, Picea және Larix түрлерінде анықталды. Дегенмен, жасушадан тыс мұз өсімдіктің құрғауына әкелуі мүмкін. Бұл мұхитты зерттеу құралдары үшін қиындық тудырады, себебі мұз кристалдары құралдардың бетінде тез пайда болып, деректердің сапасына әсер етуі мүмкін. Соңында, өте суық теңіз суының болуы теңіз мұзының өсуіне әсер етеді.
Plants can also survive extreme cold conditions brought forth during the winter months. Many plant species located in northern climates can acclimate under these cold conditions by supercooling, thus these plants survive temperatures as low as Although this supercooling phenomenon is poorly understood, it has been recognized through infrared thermography. Ice nucleation occurs in certain plant organs and tissues, debatably beginning in the xylem tissue and spreading throughout the rest of the plant. Infrared thermography allows for droplets of water to be visualized as they crystalize in extracellular spaces. Supercooling inhibits the formation of ice within the tissue by ice nucleation and allows the cells to maintain water in a liquid state and further allows the water within the cell to stay separate from extracellular ice. The xylem and primary tissue of plants are very susceptible to cold temperatures because of the large proportion of water in the cell. Many boreal hardwood species in northern climates have the ability to prevent ice spreading into the shoots allowing the plant to tolerate the cold. Supercooling has been identified in the evergreen shrubs Rhododendron ferrugineum and Vaccinium vitis idaea as well as Abies, Picea and Larix species. However, the extracellular ice may lead to plant dehydration. This provides a challenge to oceanographic instrumentation as ice crystals will readily form on the equipment, potentially affecting the data quality. Ultimately the presence of extremely cold seawater will affect the growth of sea ice.
Қолданбалар
Супер суытудың бір коммерциялық қолданылуы – салқындату. Мұздатқыштар сусындарды супер суыту арқылы, ашылғанда олардың құмға айналуын қамтамасыз етеді. Тағы бір мысал – әдеттегі мұздатқышта сусынды супер суытуға мүмкіндік беретін өнім. Coca-Cola компаниясы Ұлыбританияда Sprite және Сингапурда Coke сататын арнайы автоматтарының қысқа мерзімді сатылымын ұйымдастырды, онда бөтелкелер супер суытылған күйде сақталды, нәтижесінде ашылғанда сусынның ішкі мазмұны шымшыққа айналды. Массачусетс жалпы ауруханасы мен Гарвард медицина мектебінде ағзаларды сақтау үшін супер суыту сәтті қолданылды. Кейіннен реципиент жануарларға трансплантацияланған бауырлар 4 күнге дейін супер суыту арқылы сақталды, бұл бауырларды сақтаудың дәстүрлі әдістерімен қол жеткізілетін мүмкіндіктердің төрт еселенгеніне тең. Бауырлар 6 °C (21 °F) температураға дейін арнайы ерітіндіде супер суытылды, бұл оларды қатудан және суық температурадан болатын зақымданудан қорғады. Тағы бір әлеуетті қолданылуы – дәрі жеткізу. 2015 жылы зерттеушілер мембраналарды белгілі бір уақытта кристалдастырды. Сұйық капсулаға енген дәрілерді қажетті жерге жеткізуге болады және ортаның шамалы өзгеруімен сұйық тез кристалдық формаға өтіп, дәріні босатады. 2016 жылы Айова штатының университетінің командасы жылуға сезімтал электрондық құрылғыларды жөндеу үшін супер суытылған сұйық металл тамшыларын пайдалану арқылы «жылусыз дәнекерлеу» әдісін ұсынды. 2019 жылы сол команда полярлы (қағаз және желе) және супергидрофобтық (гүлдің жапырақтары) беттеріне қатты металл қосылыстарын басып шығару үшін төмендетілген металл қолдануды көрсетті, барлық беттер металлдан төмен модульді. Ефтехари және авторлар тобы энергияны сақтау үшін диффузия арналарын құруға мүмкіндік беретін иондық сұйық кристалдардың супер суытуын түсіндіретін эмпирикалық теорияны ұсынды. Бұл жағдайда электролиттің құрылымы қатты электролитке ұқсас, бірақ диффузия коэффициенті сұйық электролиттердегідей жоғары болуы мүмкін. Супер суыту ортаның тұтқырлығын арттырады, бірақ диффузия үшін бағытталған арналарды ашық қалдырады.
One commercial application of supercooling is in refrigeration. Freezers can cool drinks to a supercooled level so that when they are opened, they form a slush. Another example is a product that can supercool the beverage in a conventional freezer. The Coca Cola Company briefly marketed special vending machines containing Sprite in the UK, and Coke in Singapore, which stored the bottles in a supercooled state so that their content would turn to slush upon opening. Supercooling was successfully applied to organ preservation at Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School. Livers that were later transplanted into recipient animals were preserved by supercooling for up to 4 days, quadrupling the limits of what could be achieved by conventional liver preservation methods. The livers were supercooled to a temperature of 6 °C (21 °F) in a specialized solution that protected against freezing and injury from the cold temperature. Another potential application is drug delivery. In 2015, researchers crystallized membranes at a specific time. Liquid encapsulated drugs could be delivered to the site and, with a slight environmental change, the liquid rapidly changes into a crystalline form that releases the drug. In 2016, a team at Iowa State University proposed a method for "soldering without heat" by using encapsulated droplets of supercooled liquid metal to repair heat sensitive electronic devices. In 2019, the same team demonstrated the use of undercooled metal to print solid metallic interconnects on surfaces ranging from polar (paper and Jello) to superhydrophobic (rose petals), with all the surfaces being lower modulus than the metal. Eftekhari et al. proposed an empirical theory explaining that supercooling of ionic liquid crystals can build ordered channels for diffusion for energy storage applications. In this case, the electrolyte has a rigid structure comparable to a solid electrolyte, but the diffusion coefficient can be as large as in liquid electrolytes. Supercooling increases the medium viscosity but keeps the directional channels open for diffusion.