Введение

Превращение вещества в стекло

Витрификация (от французского vitrifier) – это полное или частичное превращение вещества в стекло, то есть некристаллическое аморфное твердое вещество. Стекло отличается от жидкости по структуре и обладает более высокой степенью связности с той же размерностью Хаусдорфа связей, что и кристаллы: dimH = 3. В производстве керамики витрификация обеспечивает их водонепроницаемость. Обычно витрификация достигается путем нагрева материалов до состояния расплава, а затем охлаждения жидкости, часто быстрого, чтобы она прошла через стеклование и образовала стекловидное твердое вещество. Определенные химические реакции также приводят к образованию стекла. С точки зрения химии, витрификация характерна для аморфных материалов или неупорядоченных систем и происходит, когда связь между элементарными частицами (атомами, молекулами, строительными блоками) становится выше определенного порогового значения. Тепловые флуктуации разрывают связи; следовательно, чем ниже температура, тем выше степень связности. Из-за этого аморфные материалы имеют характерную пороговую температуру, называемую температурой стеклования (Tg): ниже Tg аморфные материалы находятся в стекловидном состоянии, а выше Tg – расплавлены. Наиболее распространенные области применения – изготовление керамики, стекла и некоторых видов продуктов питания, но существуют и многие другие, такие как витрификация антифриза в качестве жидкости при криоконсервации. В другом смысле этого слова, внедрение материала в стекловидную матрицу также называют витрификацией. Важным применением является витрификация радиоактивных отходов для получения вещества, которое считается более безопасным и стабильным для захоронения. Одно исследование предполагает, что во время извержения Везувия в 79 году нашей эры мозг жертвы был витрифицирован из-за экстремальной жары вулканического пепла; однако это утверждение подверглось серьезной критике.

Керамика

Остекление – это постепенное частичное сплавление глины или керамического изделия в процессе обжига. По мере остекления увеличивается доля стекловидной фазы, а видимая пористость обожженного изделия прогрессивно снижается. Стекловидные изделия обладают открытой пористостью и могут быть как непрозрачными, так и полупрозрачными. В данном контексте "нулевая пористость" определяется как водопоглощение менее 1%. Однако различные стандарты устанавливают условия определения водопоглощения. Например, ASTM определяет: "Термин 'стекловидный' обычно подразумевает водопоглощение менее 0,5%, за исключением напольной и настенной плитки, а также низковольтных электрических изоляторов, для которых стекловидным считается водопоглощение до 3%". Керамику можно сделать водонепроницаемой путем остекления или остекления. Фарфор, костяной фарфор и санфаянс являются примерами остекленной керамики и непроницаемы даже без глазури. Каменная керамика может быть остекленной или полуостекленной; последний тип не будет водонепроницаемым без глазури.

Приложения

При медленном охлаждении сахароза образует кристаллический сахар (или леденцы), но при быстром охлаждении может образовывать сиропообразную сахарную вату. Витрификация также может происходить в жидкостях, таких как вода, обычно посредством очень быстрого охлаждения или введения веществ, подавляющих образование кристаллов льда. Это отличается от обычного замораживания, которое приводит к образованию ледяных кристаллов. Витрификация используется в криоэлектронной микроскопии для столь быстрого охлаждения образцов, что они могут быть визуализированы в электронном микроскопе без повреждений. В 2017 году Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку этой технологии, которая может использоваться для визуализации объектов, таких как белки или вирусные частицы. Обычное содо-известковое стекло, используемое в окнах и ёмкостях для напитков, 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 для утилизации и долгосрочного хранения ядерных или других опасных отходов методом, называемым геоплавлением. Отходы смешиваются со стеклообразующими химическими веществами в печи для образования расплавленного стекла, которое затем затвердевает в контейнерах, тем самым иммобилизуя отходы. Конечная форма отходов напоминает обсидиан и представляет собой невыщелачивающийся, прочный материал, эффективно удерживающий отходы внутри. Широко распространено мнение, что такие отходы могут храниться в таком виде в течение относительно длительного времени без опасений загрязнения воздуха или грунтовых вод. Массовая витрификация использует электроды для расплавления почвы и отходов непосредственно в земле. Затем затвердевшие отходы могут быть извлечены с меньшим риском распространения загрязнения. По данным Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории, "витрификация заключает опасные материалы в стабильную стеклянную форму, которая сохранится на протяжении тысяч лет".