El hielo amorfo es agua en el estado de una sustancia amorfa sólida en la que las moléculas de agua están dispuestas al azar, como los átomos en el vidrio ordinario. La mayoría de las veces en la naturaleza, el hielo se encuentra en un estado policristalino . El hielo amorfo es diferente porque carece de un orden de largo alcance de la estructura cristalina .
El hielo amorfo se obtiene mediante un enfriamiento extremadamente rápido del agua líquida (a una velocidad de alrededor de 1.000.000 K por segundo), de modo que las moléculas no tienen tiempo de formar una red cristalina .
Así como existen muchas formas cristalinas de hielo (en la actualidad se conocen dieciocho modificaciones ), también existen diferentes formas de hielo amorfo, que se diferencian principalmente en la densidad .
Casi cualquier sustancia cristalina puede transferirse de la masa fundida a un estado amorfo metaestable mediante un enfriamiento rápido. Por lo tanto, la clave para obtener hielo amorfo es la velocidad de enfriamiento. El agua líquida debe enfriarse a su temperatura de transición vítrea (alrededor de 136 K o -137 ° C) en unos pocos milisegundos para evitar la nucleación espontánea de cristales.
La presión es otro factor importante en la obtención de hielo amorfo. Además, al cambiar la presión, es posible convertir un tipo de hielo amorfo en otro.
Se pueden agregar productos químicos especiales al agua: crioprotectores , que reducen su punto de congelación y aumentan su viscosidad, lo que evita la formación de cristales. La transición vítrea sin la adición de crioprotectores se logra con un enfriamiento muy rápido. Estos métodos se utilizan en biología para la crioconservación de células y tejidos.
El hielo amorfo existe en tres formas principales: hielo amorfo de baja densidad (LDA o LDA), que se forma a la presión atmosférica o por debajo de ella, hielo amorfo de alta densidad (HDA o HDA) y hielo amorfo de muy alta densidad (ALOD o VHDA).
Cuando se depositó vapor de agua sobre una placa de cobre enfriada por debajo de 163 K, se obtuvo por primera vez hielo amorfo con una densidad de 0,93 g/cm³, también conocido como agua sólida amorfa o agua vítrea. Ahora, en los laboratorios, ALNP se obtiene por el mismo método a temperaturas inferiores a 120 K. Obviamente, en el espacio, dicho hielo se forma de manera similar en varias superficies frías, por ejemplo, partículas de polvo. Se supone que este hielo es bastante común en la composición de los cometas y está presente en los planetas exteriores . [una]
Si cambia la temperatura del sustrato y la tasa de deposición, puede obtener hielo de una densidad diferente. Así, a 77 K y una velocidad de deposición de 10 mg por hora se obtiene hielo con una densidad de 0,94 g/cm³, y a 10 K y una velocidad de 4 mg por hora, 1,1 g/cm³, y su estructura, aunque desprovisto de un orden de largo alcance, resulta mucho más difícil que el hielo amorfo anterior. Todavía no está claro si se forma la misma modificación de hielo amorfo (con una densidad de 0,94 g/cm³) durante el calentamiento de HDL y durante la deposición del vapor, o si son diferentes.
El hielo amorfo de alta densidad se puede obtener exprimiendo hielo Ih a temperaturas por debajo de ~140 K. A una temperatura de 77 K, HDL se forma a partir de hielo natural ordinario Ih a presiones de aproximadamente 1,6 GPa [2] , y de LDLP a presiones de alrededor de 0,5 GPa [3] . A una temperatura de 77 K y una presión de 1 GPa, la densidad de HDL es de 1,3 g/cm³. Si la presión se reduce a la presión atmosférica, la densidad de HDL disminuirá de 1,3 g/cm³ a 1,17 g/cm³ [2] , pero a una temperatura de 77 K permanece durante un tiempo arbitrariamente largo.
Sin embargo, si el hielo de alta densidad se calienta a presión normal, no se convertirá en el hielo original I h , sino que se convertirá en otra modificación del hielo amorfo, esta vez con una densidad baja, 0,94 g/cm³. Este hielo, al calentarse más en la región de 150 K, cristalizará, pero de nuevo no en el hielo original Ih , sino que tomará el sistema cúbico de hielo Ic .
El HDL se descubrió en 1996, cuando se descubrió que si el HDL se calienta a 160 K a una presión en el rango de 1 a 2 GPa, entonces se vuelve más denso, y a la presión atmosférica su densidad es de 1,26 g/cm³ [4] [ 5 ] .
El hielo amorfo se utiliza en algunos experimentos científicos, especialmente en la criomicroscopía electrónica , que permite el estudio de moléculas biológicas en un estado cercano a su estado natural en agua líquida [6] . Las muestras biogénicas que contienen agua se vitrifican con líquidos criogénicos como nitrógeno líquido o helio líquido. Así, la estructura natural de las muestras se puede conservar sin que los cristales de hielo la alteren.
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