अनाकार बर्फ

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अनाकार बर्फ (गैर-क्रिस्टलीय या कांच की बर्फ) पानी का एक अनाकार ठोस रूप है। सामान्य बर्फ एक क्रिस्टलीय सामग्री है जिसमें अणु नियमित रूप बर्फ़ हेक्सागोनल जाली में व्यवस्थित होते हैं, जबकि अनाकार बर्फ में इसकी आणविक व्यवस्था में लंबी दूरी के क्रम का अभाव होता है। अनाकार बर्फ का उत्पादन या तो तरल पानी के सुपरकूलिंग द्वारा किया जाता है (इसलिए अणुओं के पास क्रिस्टल संरचना बनाने के लिए पर्याप्त समय नहीं होता है), या कम तापमान पर सामान्य बर्फ को संपीड़ित करके।

हालांकि पृथ्वी पर लगभग सभी पानी की बर्फ परिचित क्रिस्टलीय बर्फ Ih | Ice I हैh, अनाकार बर्फ इंटरस्टेलर माध्यम की गहराई में हावी है, जिससे यह एच के लिए सबसे आम संरचना हो सकती है2हे ब्रह्मांड में बड़े पैमाने पर।[1] जिस तरह बर्फ के कई अलग-अलग क्रिस्टलीय रूप हैं (वर्तमान में सत्रह से अधिक ज्ञात हैं), अनाकार बर्फ के भी विभिन्न रूप हैं, जो मुख्य रूप से उनके घनत्व से अलग हैं।

अक्रिस्टलीय बर्फ में लंबी दूरी के घनत्व में उतार-चढ़ाव को दबाने का गुण होता है और इसलिए, यह लगभग अतिसमानता होती है।[2] अनाकार विशेषण के बावजूद, कृत्रिम बुद्धि ने दिखाया है कि अनाकार बर्फ कांच हैं।[3]


गठन

अनाकार बर्फ का निर्माण तब हो सकता है जब क्रिस्टल के सहज केंद्रक को रोकने के लिए मिलीसेकंड में तरल पानी को उसके कांच के संक्रमण तापमान (लगभग 136 के या -137 डिग्री सेल्सियस) तक ठंडा किया जाता है।[citation needed]

अनाकार बर्फ के निर्माण में दबाव एक अन्य महत्वपूर्ण कारक है, और दबाव में परिवर्तन से एक रूप दूसरे में परिवर्तित हो सकता है।[citation needed]

इसके हिमांक को कम करने के लिए क्रायोप्रोटेक्टेंट्स को पानी में जोड़ा जा सकता है (जैसे एंटीफ्ऱीज़र) और चिपचिपाहट बढ़ा सकते हैं, जो क्रिस्टल के गठन को रोकता है। क्रायोप्रोटेक्टेंट्स को शामिल किए बिना कांच में रूपांतर बहुत तेजी से ठंडा करके प्राप्त किया जा सकता है। इन तकनीकों का उपयोग जीव विज्ञान में कोशिकाओं और ऊतकों के क्रायोसंरक्षण के लिए किया जाता है।[citation needed]

फॉर्म

कम घनत्व वाली अनाकार बर्फ

कम घनत्व वाली अनाकार बर्फ, जिसे LDA भी कहा जाता है, वाष्प-जमा अनाकार पानी बर्फ या अनाकार ठोस पानी (ASW) आमतौर पर प्रयोगशाला में जल वाष्प अणुओं (भौतिक वाष्प जमाव) के धीमे संचय द्वारा एक बहुत ही चिकनी धातु क्रिस्टल सतह पर बनता है। 120 K. बाहरी अंतरिक्ष में धूल के कणों जैसे विभिन्न प्रकार के ठंडे सबस्ट्रेट्स पर समान तरीके से बनने की उम्मीद है।[4] इसके कांच के संक्रमण तापमान को पिघलाना (टीg) 120 और 140 के बीच, एलडीए सामान्य पानी की तुलना में अधिक चिपचिपा होता है। हाल के अध्ययनों से पता चला है कि चिपचिपा तरल तरल पानी के इस वैकल्पिक रूप में 140 और 210 K के बीच कहीं रहता है, एक तापमान सीमा जो बर्फ I द्वारा भी बसाई जाती हैc.[5][6][7] एलडीए का घनत्व 0.94 ग्राम/सेमी है3, घने पानी से कम घना (1.00 g/cm3 277 K पर), लेकिन सामान्य बर्फ से सघन (बर्फ Ih|बर्फ Ih).

इसके विपरीत, लगभग 80 K के आसपास प्रोपेन जैसे तरल में पानी की बूंदों की महीन धुंध छिड़क कर या तरल नाइट्रोजन तापमान पर रखे गए सैंपल-होल्डर पर हाइपरक्वेंचिंग फाइन माइक्रोमीटर (यूनिट)-आकार की बूंदों द्वारा हाइपरक्वेन्च्ड ग्लासी वाटर (HGW) बनाया जाता है। , 77 के, निर्वात में। शीतलन दर 10 से ऊपर4 के/एस बूंदों के क्रिस्टलीकरण को रोकने के लिए आवश्यक हैं। तरल नाइट्रोजन तापमान पर, 77 K, HGW काइनेटिक रूप से स्थिर है और इसे कई वर्षों तक संग्रहीत किया जा सकता है।

मध्यम-घनत्व अनाकार बर्फ

2023 में मध्यम-घनत्व अनाकार बर्फ (एमडीए) की खोज की गई थी।[8][9] -200˚ सी के तापमान पर सेंटीमीटर-चौड़ी स्टेनलेस स्टील गेंदों के साथ एक छोटे कंटेनर में नियमित बर्फ को हिलाकर इसे बनाया जा सकता है। धातु की गेंदों ने बर्फ पर एक कतरनी बल का उत्पादन किया जो इसे एक सफेद पाउडर बर्फ में तोड़ देता है। यह पहली बार यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में अलेक्जेंडर रोसु-फिन्सन और उनकी टीम द्वारा बनाया गया था।[10]


उच्च घनत्व अनाकार बर्फ

बर्फ I को संपीड़ित करके उच्च घनत्व अनाकार बर्फ (HDA) का निर्माण किया जा सकता हैh ~140 K से कम तापमान पर। 77 K पर, HDA सामान्य प्राकृतिक बर्फ से लगभग 1.6 GPa बनता है[11] और LDA से लगभग 0.5 GPa पर[12] (लगभग 5,000 एटीएम)। इस तापमान पर, इसे परिवेश के दबाव में वापस लाया जा सकता है और अनिश्चित काल तक रखा जा सकता है। इन स्थितियों में (परिवेश दबाव और 77 K), HDA का घनत्व 1.17 g/cm है3</उप>।[11]

पीटर जेनिस्केंस और डेविड एफ. ब्लेक ने 1994 में प्रदर्शित किया कि कम तापमान (<30 K) सतहों जैसे इंटरस्टेलर ग्रेन पर पानी के वाष्प जमाव के दौरान उच्च घनत्व अनाकार बर्फ का एक रूप भी बनाया जाता है। पानी के अणु कम घनत्व वाली अनाकार बर्फ की खुली पिंजरे की संरचना बनाने के लिए पूरी तरह से संरेखित नहीं होते हैं। पानी के कई अणु अंतरालीय स्थिति में समाप्त हो जाते हैं। जब 30 के ऊपर गर्म किया जाता है, तो संरचना फिर से संरेखित होती है और कम घनत्व वाले रूप में बदल जाती है।[5][13]


बहुत उच्च घनत्व अनाकार बर्फ

बहुत उच्च घनत्व अनाकार बर्फ (वीएचडीए) की खोज 1996 में ओसामु मिशिमा ने की थी जिन्होंने देखा कि 1 और 2 जीपीए के बीच दबाव पर 160 के तक गर्म होने पर एचडीए सघन हो जाता है और इसका घनत्व 1.26 ग्राम/सेमी है3 परिवेशी दबाव और 77 के तापमान पर।[14] हाल ही में यह सुझाव दिया गया था कि यह सघन अनाकार बर्फ पानी का तीसरा अनाकार रूप था, जो एचडीए से अलग था, और इसे वीएचडीए नाम दिया गया था।[15]


सौर मंडल में अनाकार बर्फ

गुण

सामान्य तौर पर, अनाकार बर्फ ~130 के नीचे बन सकता है।[16] इस तापमान पर, पानी के अणु क्रिस्टलीय संरचना बनाने में असमर्थ होते हैं जो आमतौर पर पृथ्वी पर पाए जाते हैं। अनाकार बर्फ पृथ्वी के वायुमंडल के सबसे ठंडे क्षेत्र, ग्रीष्म ध्रुवीय मेसोस्फीयर में भी बन सकता है, जहां रात्रिचर बादल मौजूद होते हैं।[17] ये निम्न तापमान खगोलभौतिकीय वातावरण जैसे आणविक बादल, परिस्थिति-तारकीय डिस्क और बाहरी सौर मंडल में वस्तुओं की सतहों में आसानी से प्राप्त होते हैं। प्रयोगशाला में, अनाकार बर्फ को क्रिस्टलीय बर्फ में बदल दिया जाता है यदि इसे 130 K से ऊपर गर्म किया जाता है, हालांकि इस रूपांतरण का सटीक तापमान पर्यावरण और बर्फ के विकास की स्थिति पर निर्भर करता है।[18] प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय और एक्ज़ोथिर्मिक है, जो 1.26–1.6 kJ/mol रिलीज़ करती है।[18]

पानी की बर्फ की संरचना का निर्धारण करने में एक अतिरिक्त कारक जमाव दर है। यहां तक ​​​​कि अगर यह अनाकार बर्फ बनाने के लिए पर्याप्त ठंडा है, तो क्रिस्टलीय बर्फ तब बनेगी जब सब्सट्रेट पर जल वाष्प का प्रवाह तापमान-निर्भर महत्वपूर्ण प्रवाह से कम हो।[19] यह प्रभाव खगोलभौतिक वातावरण में विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है जहां पानी का प्रवाह कम हो सकता है। इसके विपरीत, यदि पानी का प्रवाह अधिक है, जैसे क्रायोज्वालामुखीवाद से जुड़ी फ्लैश-फ्रीजिंग घटनाएं, अपेक्षा से अधिक तापमान पर अनाकार बर्फ का गठन किया जा सकता है।

77 के से कम तापमान पर, पराबैंगनी फोटॉनों के साथ-साथ उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों और आयनों से विकिरण क्रिस्टलीय बर्फ की संरचना को नुकसान पहुंचा सकता है, इसे अनाकार बर्फ में बदल सकता है।[20]<रेफरी नाम = मूर, मार्ला एच.; हडसन, रेगी एल. 1992 353 >{{cite journal|title=प्रोटोन विकिरण द्वारा प्रेरित जल बर्फ में चरण परिवर्तन का सुदूर अवरक्त वर्णक्रमीय अध्ययन|author1=Moore, Marla H. |author2=Hudson, Reggie L. |journal=Astrophysical Journal|volume=401|page=353|year=1992|bibcode=1992ApJ...401..353M|doi=10.1086/172065}</ref> अनाकार बर्फ 110 K से कम तापमान पर विकिरण से महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं होता है, हालांकि कुछ प्रयोगों से पता चलता है कि विकिरण उस तापमान को कम कर सकता है जिस पर अनाकार बर्फ क्रिस्टलीकृत होना शुरू हो जाता है।Cite error: Invalid <ref> tag; invalid names, e.g. too many

जांच

अक्रिस्टलीय बर्फ को इसके निकट-अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी | निकट-अवरक्त और अवरक्त स्पेक्ट्रम के आधार पर क्रिस्टलीय बर्फ से अलग किया जा सकता है। निकट-आईआर तरंग दैर्ध्य पर, 1.65, 3.1, और 4.53 μm जल अवशोषण लाइनों की विशेषताएं बर्फ के तापमान और क्रिस्टल क्रम पर निर्भर होती हैं।[21] 1.65 माइक्रोन बैंड की चरम शक्ति और साथ ही 3.1 माइक्रोन बैंड की संरचना पानी की बर्फ की क्रिस्टलीयता की पहचान करने में विशेष रूप से उपयोगी है।[22][23] लंबी IR तरंगदैर्घ्य पर, अक्रिस्टलीय और क्रिस्टलीय बर्फ में 44 और 62 μm पर अलग-अलग अवशोषण बैंड होते हैं जिसमें क्रिस्टलीय बर्फ में 62 μm पर महत्वपूर्ण अवशोषण होता है जबकि अनाकार बर्फ में नहीं होता है। <रेफरी नाम = मूर, मारला एच।; हडसन, रेगी एल. 1992 353 /> इसके अलावा, इन बैंडों का उपयोग बहुत कम तापमान पर तापमान संकेतक के रूप में किया जा सकता है जहां अन्य संकेतक (जैसे 3.1 और 12 μm बैंड) विफल हो जाते हैं।[24] यह अंतरातारकीय माध्यम और परिस्थितितारकीय डिस्क में बर्फ का अध्ययन करने में उपयोगी है। हालांकि, इन विशेषताओं को देखना मुश्किल है क्योंकि इन तरंग दैर्ध्यों पर वातावरण अपारदर्शी है, जिसके लिए अंतरिक्ष-आधारित इन्फ्रारेड वेधशालाओं के उपयोग की आवश्यकता होती है।

आण्विक बादल, परिस्थितितारकीय डिस्क, और प्रारंभिक सौर निहारिका

आणविक बादलों का तापमान बहुत कम (~10 के) होता है, जो अनाकार बर्फ क्षेत्र के भीतर अच्छी तरह से गिरता है। आण्विक बादलों में अक्रिस्टलीय बर्फ की उपस्थिति की प्रेक्षणात्मक रूप से पुष्टि की गई है।[25] जब आणविक बादल तारे बनाने के लिए सिकुड़ते हैं, तो परिणामी परिस्थिति-तारकीय डिस्क का तापमान 120 K से ऊपर बढ़ने की उम्मीद नहीं है, यह दर्शाता है कि अधिकांश बर्फ एक अनाकार अवस्था में रहना चाहिए।[19]हालाँकि, यदि तापमान बर्फ को उर्ध्वपातित करने के लिए काफी अधिक बढ़ जाता है, तो पानी के प्रवाह की दर इतनी कम होने के कारण यह एक क्रिस्टलीय रूप में फिर से संघनित हो सकता है। IRAS 09371+1212 के परिस्थिति-तारकीय डिस्क में ऐसा होने की उम्मीद है, जहां 30-70 K के कम तापमान के बावजूद क्रिस्टलीकृत बर्फ के हस्ताक्षर देखे गए थे।[26] मौलिक सौर नीहारिका के लिए, परिस्थितिजन्य डिस्क और ग्रह निर्माण चरणों के दौरान पानी की बर्फ की क्रिस्टलीयता के बारे में बहुत अनिश्चितता है। यदि मूल अक्रिस्टलीय बर्फ आण्विक बादल के ढहने से बच गई थी, तो इसे शनि की कक्षा (~12 AU) से परे सूर्यकेंद्रित दूरी पर संरक्षित किया जाना चाहिए था।[19]


धूमकेतु

धूमकेतुओं में अनाकार पानी की बर्फ की उपस्थिति की संभावना और एक क्रिस्टलीय अवस्था में चरण संक्रमण के दौरान ऊर्जा की रिहाई को पहले धूमकेतु के विस्फोट के लिए एक तंत्र के रूप में प्रस्तावित किया गया था।[27] धूमकेतुओं में अक्रिस्टलीय बर्फ के साक्ष्य ~6 AU से अधिक सूर्यकेंद्रित दूरी पर दीर्घ-अवधि, सेंटौर, और बृहस्पति परिवार के धूमकेतुओं में देखी गई गतिविधि के उच्च स्तरों में पाए जाते हैं।[28] पानी की बर्फ के उच्चीकरण के लिए ये वस्तुएं बहुत ठंडी हैं, जो धूमकेतु की गतिविधि को सूर्य के करीब ले जाती हैं, इसका अधिक प्रभाव पड़ता है। थर्मोडायनामिक मॉडल दिखाते हैं कि उन धूमकेतुओं की सतह का तापमान ~130 K के अनाकार/क्रिस्टलीय बर्फ संक्रमण तापमान के करीब है, जो गतिविधि के संभावित स्रोत के रूप में इसका समर्थन करता है।[29] अक्रिस्टलीय बर्फ का भगोड़ा क्रिस्टलीकरण बिजली के विस्फोटों के लिए आवश्यक ऊर्जा का उत्पादन कर सकता है जैसे कि सेंटूर धूमकेतु 29P/Shwassmann-Wachmann 1 के लिए मनाया गया।[30][31]


कुइपर बेल्ट ऑब्जेक्ट्स

40–50 K के विकिरण संतुलन तापमान के साथ,[32] कुइपर बेल्ट की वस्तुओं में अनाकार जल बर्फ होने की उम्मीद है। जबकि पानी की बर्फ कई वस्तुओं पर देखी गई है,[33][34] इन वस्तुओं की अत्यधिक बेहोशी से बर्फ की संरचना का निर्धारण करना मुश्किल हो जाता है। 50000 क्वाओर पर क्रिस्टलीय पानी के बर्फ के हस्ताक्षर देखे गए थे, शायद प्रभाव या क्रायोवोल्केनिज्म जैसी घटनाओं के पुनरुत्थान के कारण।[35]


बर्फीले चंद्रमा

नासा के गैलीलियो अंतरिक्ष यान पर नियर-इन्फ्रारेड मैपिंग स्पेक्ट्रोमीटर (NIMS) ने जोवियन उपग्रहों यूरोपा (चंद्रमा), गेनीमेड (चंद्रमा), और कैलिस्टो (चंद्रमा) की सतह बर्फ की स्पेक्ट्रोस्कोपिक रूप से मैपिंग की। इन चंद्रमाओं का तापमान 90–160 के बीच होता है,[36] इतना गर्म कि अनाकार बर्फ के अपेक्षाकृत कम समय के पैमाने पर क्रिस्टलीकृत होने की उम्मीद है। हालांकि, यह पाया गया कि यूरोपा में मुख्य रूप से अनाकार बर्फ है, गेनीमेड में अनाकार और क्रिस्टलीय बर्फ दोनों हैं, और कैलिस्टो मुख्य रूप से क्रिस्टलीय है। <रेफरी नाम = हैनसेन, गैरी बी।; मैककॉर्ड, थॉमस बी. 2004 >{{cite journal|title=गैलीलियन उपग्रहों पर अनाकार और क्रिस्टलीय बर्फ: थर्मल और रेडिओलाइटिक प्रक्रियाओं के बीच संतुलन|author1=Hansen, Gary B. |author2=McCord, Thomas B. |s2cid=140162310 |journal=Journal of Geophysical Research|volume=109|issue=E1 |pages=E01012 |year=2004|bibcode=2004JGRE..109.1012H|doi = 10.1029/2003JE002149 |doi-access=free }</ref> इसे प्रतिस्पर्धी ताकतों का परिणाम माना जाता है: अनाकार बर्फ का थर्मल क्रिस्टलीकरण बनाम बृहस्पति से आवेशित कणों के प्रवाह द्वारा क्रिस्टलीय का अनाकार बर्फ में रूपांतरण। अन्य तीन चंद्रमाओं की तुलना में बृहस्पति के करीब, यूरोपा को उच्चतम स्तर का विकिरण प्राप्त होता है और इस प्रकार विकिरण के माध्यम से सबसे अधिक अनाकार बर्फ होती है। कैलिस्टो बृहस्पति से सबसे दूर है, सबसे कम विकिरण प्रवाह प्राप्त करता है और इसलिए इसकी क्रिस्टलीय बर्फ बनाए रखता है। गेनीमेड, जो दोनों के बीच स्थित है, उच्च अक्षांशों पर अनाकार बर्फ और निचले अक्षांशों पर क्रिस्टलीय बर्फ प्रदर्शित करता है। ऐसा माना जाता है कि यह चंद्रमा के आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र का परिणाम है, जो आवेशित कणों को उच्च अक्षांशों तक पहुंचाएगा और निचले अक्षांशों को विकिरण से बचाएगा।<रेफरी नाम= हैनसेन, गैरी बी.; मैककॉर्ड, थॉमस बी. 2004 />

नासा/ईएसए/एएसआई कैसिनी अंतरिक्ष जांच पर विज़ुअल और इन्फ्रारेड मैपिंग स्पेक्ट्रोमीटर (वीआईएमएस) द्वारा शनि के चंद्रमा एन्सेलाडस की सतह बर्फ की मैपिंग की गई थी। जांच में क्रिस्टलीय और अक्रिस्टलीय दोनों प्रकार की बर्फ पाई गई, सतह पर टाइगर धारी की दरारों में क्रिस्टलीयता का एक उच्च स्तर और इन क्षेत्रों के बीच अधिक अनाकार बर्फ पाया गया।[21]बाघ की धारियों के पास क्रिस्टलीय बर्फ को भूगर्भीय गतिविधि के कारण उच्च तापमान द्वारा समझाया जा सकता है जो दरारों का संदिग्ध कारण है। अनाकार बर्फ को क्रायोवोल्केनिज्म से फ्लैश फ्रीजिंग, पानी के गीजर से अणुओं के तेजी से संघनन, या शनि से उच्च-ऊर्जा कणों के विकिरण द्वारा समझाया जा सकता है।[21]


पृथ्वी का ध्रुवीय मेसोस्फीयर

पृथ्वी के उच्च अक्षांश मेसोपॉज़ (~90 किमी) पर और नीचे बर्फ के बादल बनते हैं जहाँ तापमान 100 K से नीचे गिरते देखा गया है।[37] यह सुझाव दिया गया है कि बर्फ के कणों के सजातीय न्यूक्लियेशन के परिणामस्वरूप कम घनत्व वाली अनाकार बर्फ होती है।[38] अक्रिस्टलीय बर्फ संभवतः बादलों के सबसे ठंडे भागों तक ही सीमित है और अव्यवस्थित बर्फ के ढेर को इन ध्रुवीय मेसोस्फेरिक बादलों में कहीं और हावी माना जाता है।[39]


उपयोग करता है

अनाकार बर्फ का उपयोग कुछ वैज्ञानिक प्रयोगों में किया जाता है, विशेष रूप से जैव-अणुओं की क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में।[40] अलग-अलग अणुओं को उस स्थिति में इमेजिंग के लिए संरक्षित किया जा सकता है जो वे तरल पानी में हैं।

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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