Введение
Снижение температуры жидкости ниже точки замерзания без её перехода в твердое состояние.
Переохлаждение, также известное как недоохлаждение, — это процесс понижения температуры жидкости ниже точки замерзания без её затвердевания. Это достигается при отсутствии зародышевого кристалла или ядра, вокруг которого может образоваться кристаллическая структура. Переохлаждение воды можно достичь без применения специальных методов, кроме химической деминерализации, до температуры... Переохлажденная вода может возникать в природе, например, в атмосфере, у животных или растений.
Пояснение
Жидкость, пересекающая стандартную точку замерзания, кристаллизуется в присутствии зародышевого кристалла или ядра, вокруг которого может образоваться кристаллическая структура, формируя твердое тело. При отсутствии таких ядер жидкая фаза может сохраняться до температуры, при которой происходит однородная нуклеация кристалла. Однородная нуклеация может происходить выше температуры стеклования, но если однородная нуклеация не произошла выше этой температуры, образуется аморфное (некристаллическое) твердое вещество. Вода обычно замерзает при 0 °C, но ее можно "переохладить" при стандартном давлении до температуры однородной кристаллизации, почти достигающей -40 °C. Процесс переохлаждения требует, чтобы вода была чистой и свободной от центров нуклеации, чего можно достичь такими процессами, как обратный осмос или химическая деминерализация, однако само охлаждение не требует каких-либо специальных методов. Если воду охлаждать со скоростью порядка 10⁶ К/с, можно избежать кристаллизации, и она превратится в стекло – то есть аморфное (некристаллическое) твердое вещество. Температура ее стеклования значительно ниже и сложнее для определения, но по оценкам исследований, она составляет около 135 °C. Стеклянную воду можно нагревать примерно до 100 °C без образования зародышей. При заданном давлении можно перегреть жидкость выше точки кипения, не допуская ее перехода в газообразное состояние. Переохлаждение не следует путать с понижением температуры замерзания. Переохлаждение – это охлаждение жидкости ниже точки замерзания без ее затвердевания. Понижение температуры замерзания – это способность раствора охлаждаться ниже температуры замерзания соответствующей чистой жидкости из-за присутствия растворенного вещества; примером этого является понижение температуры замерзания, наблюдаемое при добавлении соли в чистую воду.
У животных
Чтобы выжить при экстремально низких температурах в определенных условиях, некоторые животные используют феномен сверхохлаждения, который позволяет им оставаться незамерзшими и избегать повреждения клеток и гибели. Существует множество механизмов, способствующих поддержанию жидкого состояния, таких как выработка антифризных белков, или АФБ, которые связываются с кристаллами льда, предотвращая присоединение и распространение молекул воды, что способствует росту льда. Камбала-зимушка – одна из таких рыб, использующих эти белки для выживания в своей холодной среде обитания. Печень выделяет неколлигативные белки в кровоток. Другие животные используют коллигативные антифризы, которые повышают концентрацию растворенных веществ в их биологических жидкостях, тем самым снижая их температуру замерзания. Рыбы, полагающиеся на сверхохлаждение для выживания, также должны обитать на значительной глубине, поскольку при контакте с центрами кристаллизации они мгновенно замерзнут. Животные, подвергающиеся сверхохлаждению для выживания, также должны удалять из своего организма агенты, инициирующие кристаллизацию, поскольку они служат отправной точкой для замораживания. Сверхохлаждение также является распространенным явлением у некоторых насекомых, рептилий и других эктотермных видов. Личинка картофельной цистообразующей нематоды (Globodera rostochiensis) может выживать внутри цисты в сверхохлажденном состоянии при температурах до -0,6 °C, даже если циста заключена в лед. По мере удаления животного от точки плавления вероятность спонтанного замерзания его внутренних жидкостей резко возрастает, поскольку это термодинамически нестабильное состояние. В конечном итоге жидкости достигают точки сверхохлаждения – температуры, при которой сверхохлажденный раствор спонтанно замерзает из-за того, что он значительно ниже своей нормальной температуры замерзания. Животные непроизвольно подвергаются сверхохлаждению и могут лишь снизить вероятность замерзания после достижения этого состояния. Несмотря на то, что сверхохлаждение необходимо для выживания, оно сопряжено со многими рисками.
В растениях
Растения также могут выживать в экстремальных условиях холода, возникающих в зимние месяцы. Многие виды растений, обитающие в северных климатах, могут акклиматизироваться к этим холодам посредством сверхохлаждения, благодаря чему эти растения выдерживают температуры до -5 °C и ниже. Хотя этот феномен сверхохлаждения изучен недостаточно, его можно обнаружить с помощью инфракрасной термографии. Образование льда начинается в определенных органах и тканях растений, предположительно в ксилеме, и распространяется по всему растению. Инфракрасная термография позволяет визуализировать капли воды при их кристаллизации во внеклеточных пространствах. Сверхохлаждение подавляет образование льда внутри ткани за счет ингибирования нуклеации льда, позволяя клеткам сохранять воду в жидком состоянии и отделять внутриклеточную воду от внеклеточного льда. Ксилема и первичная ткань растений особенно уязвимы к низким температурам из-за высокого содержания воды в клетках. Многие лиственные породы северных регионов способны предотвращать распространение льда в побеги, что позволяет растениям переносить холод. Сверхохлаждение было выявлено у вечнозеленых кустарников Rhododendron ferrugineum и Vaccinium vitis idaea, а также у видов Abies, Picea и Larix. Однако внеклеточный лед может приводить к обезвоживанию растений. Это представляет собой проблему для океанографического оборудования, поскольку кристаллы льда легко образуются на приборах, что потенциально может повлиять на качество данных. В конечном итоге, присутствие чрезвычайно холодной морской воды влияет на рост морского льда.
Приложения
Одно из коммерческих применений сверхохлаждения – это холодильная техника. Морозильники могут охлаждать напитки до состояния сверхохлаждения, так что при открытии они превращаются в ледяную крошку. Другой пример – продукт, позволяющий сверхохладить напиток в обычном морозильнике. Компания Coca-Cola на короткое время продавала специальные торговые автоматы со Sprite в Великобритании и Coke в Сингапуре, в которых бутылки хранились в сверхохлажденном состоянии, чтобы содержимое превращалось в ледяную крошку при открытии. Сверхохлаждение успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице/Гарвардской медицинской школе. Печень, впоследствии пересаженная животным-реципиентам, сохранялась методом сверхохлаждения до 4 дней, что в четыре раза превышает возможности традиционных методов сохранения печени. Печень охлаждали до температуры 6 °C (21 °F) в специальном растворе, защищающем от замерзания и повреждений, вызванных низкой температурой. Еще одно потенциальное применение – доставка лекарственных препаратов. В 2015 году исследователи кристаллизовали мембраны в определенный момент времени. Жидкие лекарственные препараты, заключенные в капсулы, могут быть доставлены к месту назначения, и при незначительном изменении окружающей среды жидкость быстро переходит в кристаллическую форму, высвобождая лекарство. В 2016 году команда из Университета штата Айова предложила метод «сварки без нагрева» с использованием капсул сверхохлажденного жидкого металла для ремонта теплочувствительных электронных устройств. В 2019 году та же команда продемонстрировала использование переохлажденного металла для печати твердых металлических соединений на поверхностях, от полярных (бумага и желе) до супергидрофобных (лепестки роз), причем модуль у всех поверхностей был ниже, чем у металла. Эфтехари и др. предложили эмпирическую теорию, объясняющую, что сверхохлаждение ионных жидких кристаллов может создавать упорядоченные каналы для диффузии, что полезно в приложениях для хранения энергии. В этом случае электролит имеет жесткую структуру, сравнимую с твердым электролитом, но коэффициент диффузии может быть таким же высоким, как и в жидких электролитах. Сверхохлаждение повышает вязкость среды, но сохраняет открытыми направленные каналы для диффузии.