پیش‌نویس:شکست در اثر یخ زدن
پدیده شکست یخ یک پدیده طبیعی است که منجر به فرآیندهایی مانند فرسایش پوسته زمین یا تخریب مواد غذایی از طریق چرخه‌های فیزیکی مواد (ذوب و یخ زدن) می‌شود.[۱] [۲] برای بررسی این فرآیند، شکست ناشی از انجماد بیشتر به طور مصنوعی برای مشاهده و مطالعه جزئیات خواص در مواد ایجاد می‌شود. شکستگی در هنگام منجمد سازی مواد اغلب در اثر ساختار کریستالی آب است که منجر به انبساط (بین مولکولی) می‌شود. تبلور نیز عاملی است که منجر به تغییرات شیمیایی یک ماده به دلیل تغییرات در محیط کریستالی آن، به نام ساختار یوتکتیک می‌شود. [۳]
تصویر برداری از سطح یک ماده دارای شکست به ما این قابلیت را می‌دهد تا لایه‌های درونی آن جسم یخ زده (کوه یخ و غیره) را با استفاده از تصاویر بدست آمده مورد مطالعه قرار دهیم. با عکاسی با بزرگنمایی بالا می توان اطلاعات بیشتری در مورد زیرساخت جسم شکسته شده و تغییرات ساختاری که در حین انجماد رخ می دهد آموخت. هنگام تصویربرداری از جزئیات سطوح شکسته، اگر بخواهیم ساختار مواد شکسته نشده را استنتاج کنیم، می‌بایست تغییرات در حین شکستگی و بلافاصله پس از شکستگی و همچنین آماده‌سازی نمونه را در نظر بگیریم. [۴] [۵] دماهای بسیار سردی نیاز است تا ماده به اندازه کافی ترد (جامد) شود، همچنین خود فرآیند شکست باعث بوجود آمدن تنش پسماند و تغییر شکل در ماده می‌شود. تصویربرداری از جزئیات دقیق در شرایط دمایی زیر صفر دشوار است. چرا که هرگاه مواد در موقعیتی برای عکاسی قرار بگیرند، دوباره شروع به گرم شدن می‌کنند. گازهای محیطی، اغلب بخار آب، بر روی سطوح سرد متراکم می شوند و با آنها واکنش (شیمیایی) می‌دهند، جزئیات نتایج را مبهم می‌کنند و با گرم کردن جسم به آن اجازه تغییر شکل می‌دهند. [۶] [۷]
ملاحظات در منجمد سازی
ویرایش
انجماد یک ماده یک قرارداد نسبی است که اغلب نسبت به دمای محیط در نظر گرفته می‌شود. انجماد یک جسم از فاز مایع یا گاز به فاز جامد امکان شکستگی را فراهم می کند اما با توجه به نوع ماده درگیر و سرعت یخ زدگی ماده، اثرات متفاوتی را به همراه دارد. منجمد کردن آهسته مواد به آنها این اجازه را می‌دهد تا ساختار درونی خود را دوباره مرتب کنند. به عنوان مثال در آب، به آرامی یخ زدن منجر به تشکیل بلورهای بزرگتر می‌شود که یک ماده شیشه‌ای شفاف را نتیجه می‌دهد. اگر آب مانند باریدن برف به سرعت منجمد شود، کریستال‌ها کوچکتر هستند و سازماندهی کمتری دارند، نور را پراکنده می‌کنند و سفید (کدر) به نظر می‌رسند.
مواد الاستیک
ویرایشبه طور کلی جامدات الاستیک هرچه سردتر می‌شوند خاصیت ارتجاعی (الاستیسیته) کمتری پیدا می‌کنند و راحت تر می‌شکنند. به عنوان مثال، شیلنگ‌های پلاستیکی در روزهای گرم انعطاف پذیری بیشتری دارند و در روزهای سرد کمتر انعطاف پذیر هستند و در معرض ترک خوردگی قرار می‌گیرند. برای نگهداری اقلام ضروری مانند فرآورده‌های خونی در کیسه‌های پلاستیکی، نه تنها بایستی که تاثیر انجماد بر خون را در نظر گرفت بلکه می‌بایست تغییرات خاصیت الاستیسیته (شکل پذیری) کیسه‌های نگهداری را نیز در نظر گرفت. [۸] در حالی که بسیاری از پلیمرهای مصنوعی و طبیعی با کاهش دما تدریجا الاستیسیته (شکل پذیری) کمتری پیدا می‌کنند، معمولاً تبلور پیدا نمی‌کنند، مگر اینکه حاوی مقادیری از مایعات آزاد مانند آب در گیاهان و خاک یا روان‌کننده‌ها در پلاستیک باشند.
مایعات
ویرایشاگر دمای مایعات به اندازه کافی کاهش یابد، به اندازه کافی جامد می‌شود که دچار شکست شود. فراوانی آب روی کره زمین، به ویژه در ارگان‌های زنده و در خاک به این معنی است که آب یخ زده اغلب سفتی مورد نیاز برای شکست را فراهم می‌کند و در غیر این صورت جسم کمتر شکننده خواهد بود. در حالی که آب استحکام جسم را افزایش می دهد تا امکان شکستگی آن فراهم شود، تشکیل ساختار کریستالی یخ در داخل یک جسم نیز می تواند باعث آسیب قابل توجهی به ساختارهایی شود که قبلاً دست نخورده و سالم بوده اند. تغییرات در یوتکتیک اطراف کریستال های شکل دهنده که می‌تواند مضر باشد نیز بسیار قابل توجه است. البته در لحیم کاری می‌تواند بعنوان یک خنک کننده مفید باشد. [۳] شکست تحت تاثیر انجماد می‌تواند به عنوان بخشی از فرآیند انجماد رخ دهد، به ویژه در مایعاتی که طی فرآیند تشکیل کریستال‌ها منبسط می شوند، مانند آب. این نوع از شکستگی‌ها، پیش-شکست نامیده می‌شود. [۵]
برای کاهش آسیب ناشی از کریستالی شدن مواد، اغلب از سرمازا ها -ماده ای که مواد را در نقطه جوش نیتروژن مایع نگه می‌دارد- استفاده می‌شود که آسیب‌زایی کریستال‌های یخ را کاهش می‌دهند، اما ممکن است خود این سرمازا ها در غلظت های مورد نیاز برای سلول های زنده سمی باشند. [۹] برای اجسام کوچک، انجماد مایعات می تواند به قدری سریع باشد که فرآیند کریستالی شدن محدود یا غایب باشد. در مورد آب، انجماد بسیار سریع به جای یخ با ساختار کریستالی، یخ آمورف تیکیل می‌شود و در نتیجه هیچ آسیب قابل تشخیصی ایجاد نخواهدشد. [۱۰]
مواد جامد
ویرایششاید برخلاف شهود، جامدات نیز به هنگام یخ زدن به حالت‌های دیگری تغییر کنند. ممکن است فکر کنید آنها ترد تر شوند. به عنوان مثال، آهن در اشکال مختلف در دماهای پایین تر شکننده تر (ترد تر) می‌شود. فولادها شکنندگی در دمای پایین را با محدوده دمای انتقال از ناحیه شکست "انعطاف پذیر"(نرم) به ناحیه شکست "شکننده" (ترد) نمایش می‌دهند که از حدود 100- درجه سانتیگراد تا حدود 100+ درجه سانتی گراد بسته به ترکیب آلیاژ و پرداخت صورت گرفته روی آن متغیر خواهد بود. همانطور که دمای جامدات تغییر می‌کند، نحوه شکست آنها نیز تغییر می‌کند. [۱۱] [۱۲]
گازها
ویرایش
اگر گازها به اندازه کافی خنک شوند، به اندازه کافی جامد خواهند شد تا پدیده شکست در آنها صورت بگیرد، مانند دی اکسید کربن جامد که به یخ خشک نیز معروف است. از آنجایی که گازها هنگام استفاده در شرایط عادی ساختار کمی دارند(بی‌نظم و در فواصل زیاد)، در حال حاضر هیچ تحقیقاتی در مورد ساختار فاز جامد آنها با استفاده از شکست انجمادی انجام نشده است. نیاز به مطالعات انجماد-شکستگی فقط در صورتی افزایش می‌یابد که بخواهیم اجسام فراسیاره‌ای که دمای سطح آنها به اندازه کافی سرد است را مورد مطالعه قرار دهیم چرا که ساختار این گازها روی آن اجرام خارجی بصورت جامد است. در حال حاضر فقط ساختارهای شکسته نشده مانند دی اکسید کربن جامد در ماه یا متان و نیتروژن جامد در سیاره پلوتو در حال بررسی هستند. [۱۳] [۱۴] [۱۵]
ملاحظات شکست
ویرایشانرژی شکست
ویرایشبرای تقسیم یک ماده به دو قسمت نیاز به تنش کافی برای شکست ماده داریم. مقدار تنش اعمال شده به یک جسم قبل از شکست، میزان انرژی موردنیاز برای شکست آن ماده را تعیین می‌کند. اعمال استرس بیش از اندازه همزمان منجر به شکستگی‌های متعدد در ساختار ماده می‌شود، مانند شکستن ورق شیشه با چکش. استرس کافی اما نه زیاد معمولاً منجر به یک "تک شکست" می‌شود. حتی با یک تک شکستگی، هر گونه فشار جزئی بیش از حد منجر به شکستگی می شود که با انرژی بیشتر و دمای بالاتر در سطح شکستگی سریعتر منتشر می شود. انرژی بالاتر همچنین می‌تواند منجر به اعوجاج‌هایی به نام تغییر شکل پلاستیک یا حتی در شکستگی‌های ثانویه کوچک شود که قطعاتی را از سطح شکستگی اصلی می‌شکند. اگر تنش کمتر متمرکز باشد، حجم بیشتری تحت فشار قرار می گیرد که منجر به انتشار کندتر شکستگی با دمای پایین تر در سطح شکستگی می شود. نیرویی بیش از نیروی لازم برای تشکیل یک صفحه شکستگی منفرد معمولاً به صورت ترکیبی از گرمایش قابل توجه، تغییر شکل پلاستیک و شکستگی ثانویه آزاد می شود.
دما
ویرایشمنابع
ویرایش- ↑ 孙, 宝洋; 李, 占斌; 肖, 俊波; 张, 乐涛; 马, 波; 李, 建明; 程, 冬兵 (2019). "Research progress on the effects of freeze-thaw on soil physical and chemical properties and wind and water erosion". 应用生态学报. 30 (1): 337–347. doi:10.13287/j.1001-9332.201901.019. PMID 30907557.
- ↑ Liu, Hui; Guo, Xiao-Na; Zhu, Ke-Xue (September 2022). "Effects of freeze-thaw cycles on the quality of frozen raw noodles". Food Chemistry. 387: 132940. doi:10.1016/j.foodchem.2022.132940. PMID 35429938.
- ↑ ۳٫۰ ۳٫۱ Chang, Fu-Ling; Lin, Yu-Hsin; Hung, Han-Tang; Kao, Chen-Wei; Kao, C. R. (22 April 2023). "Artifact-Free Microstructures in the Interfacial Reaction between Eutectic In-48Sn and Cu Using Ion Milling". Materials. 16 (9): 3290. Bibcode:2023Mate...16.3290C. doi:10.3390/ma16093290. PMC 10179094. PMID 37176172. خطای یادکرد: برچسب
<ref>نامعتبر؛ نام «eutectic» چندین بار با محتوای متفاوت تعریف شده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.). - ↑ Bullivant, S. (September 1977). "Evaluation of membrane structure facts and artefacts produced during freeze‐fracturing". Journal of Microscopy. 111 (1): 101–116. doi:10.1111/j.1365-2818.1977.tb00050.x. PMID 606830.
- ↑ ۵٫۰ ۵٫۱ Steere, R L; Erbe, E F; Moseley, J M (1 July 1980). "Prefracture and cold-fracture images of yeast plasma membranes". The Journal of Cell Biology. 86 (1): 113–122. doi:10.1083/jcb.86.1.113. PMC 2110657. PMID 6998983. خطای یادکرد: برچسب
<ref>نامعتبر؛ نام «auto» چندین بار با محتوای متفاوت تعریف شده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.). - ↑ Lepault, J.; Dubochet, J. (1 August 1980). "Freezing, fracturing, and etching artifacts in particulate suspensions". Journal of Ultrastructure Research. 72 (2): 223–233. doi:10.1016/S0022-5320(80)90060-X. PMID 7420536.
- ↑ Sleytr, U. B.; Robards, A. W. (April 1982). "Understanding the artefact problem in freeze-fracture replication: a review". Journal of Microscopy. 126 (1): 101–122. doi:10.1111/j.1365-2818.1982.tb00361.x. PMID 7040668.
- ↑ Hmel, Peter J.; Kennedy, Anthony; Quiles, John G.; Gorogias, Martha; Seelbaugh, Joseph P.; Morrissette, Craig R.; Van Ness, Kenneth; Reid, T.J. (July 2002). "Physical and thermal properties of blood storage bags: implications for shipping frozen components on dry ice". Transfusion. 42 (7): 836–846. doi:10.1046/j.1537-2995.2002.00135.x. PMID 12375655.
- ↑ Fowler, Alex; Toner, Mehmet (March 2006). "Cryo‐Injury and Biopreservation". Annals of the New York Academy of Sciences. 1066 (1): 119–135. doi:10.1196/annals.1363.010. PMID 16533923.
- ↑ Nei, Tokio (March 1978). "Structure and function of frozen cells: freezing patterns and post-thaw survival". Journal of Microscopy. 112 (2): 197–204. doi:10.1111/j.1365-2818.1978.tb01165.x. PMID 349159.
- ↑ Borgström, Henrik (8 April 2021). "Influence of Strain Rate, Temperature and Chemical Composition on High Silicon Ductile Iron". Minerals. 11 (4): 391. Bibcode:2021Mine...11..391B. doi:10.3390/min11040391.
- ↑ González-Martínez, Rodolfo; Sertucha, Jon; Lacaze, Jacques (June 2023). "The mechanism of intermediate temperature embrittlement of cast irons by magnesium". Materials Today Communications. 35: 106128. doi:10.1016/j.mtcomm.2023.106128.
- ↑ Schorghofer, Norbert; Williams, Jean‐Pierre; Martinez‐Camacho, Jose; Paige, David A.; Siegler, Matthew A. (28 October 2021). "Carbon Dioxide Cold Traps on the Moon". Geophysical Research Letters. 48 (20). Bibcode:2021GeoRL..4895533S. doi:10.1029/2021GL095533.
- ↑ Doute, S (December 1999). "Evidence for Methane Segregation at the Surface of Pluto". Icarus. 142 (2): 421–444. Bibcode:1999Icar..142..421D. doi:10.1006/icar.1999.6226.
{{cite journal}}:|hdl-access=requires|hdl=(help) - ↑ Maynard-Casely, H. E.; Hester, J. R.; Brand, H. E. A. (1 September 2020). "Re-examining the crystal structure behaviour of nitrogen and methane". IUCrJ. 7 (5): 844–851. doi:10.1107/S2052252520007460. PMC 7467175. PMID 32939276.