شکست انجمادی

شکست انجمادی (به انگلیسی: Freeze-fracture) یک پدیده طبیعی است که منجر به فرآیندهایی مانند فرسایش پوسته زمین یا به سادگی فساد مواد غذایی در اثر چرخه‌های انجماد و ذوب می‌شود.[۱][۲] برای بررسی دقیق‌تر این فرآیند، شکست انجمادی به صورت مصنوعی القا می‌شود تا ویژگی‌های مواد به تفصیل مشاهده شوند. شکستگی در حین انجماد معمولاً نتیجه متبلور شدن آب است که باعث انبساط می‌گردد. تبلور همچنین عاملی است که منجر به تغییرات شیمیایی یک ماده می‌شود؛ این تغییرات ناشی از تغییرات در محیط اطراف کریستال است که به آن تشکیل یوتکتیک گفته می‌شود.[۳]

پدیده طبیعی شکست در یخ. یک کوه یخی (iceberg) از یخچالی طبیعی شکسته است. تصویر بالا، اثرات فرسایش را در لایه‌های پنهان یخ نشان می‌دهد.

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 می‌توان اطلاعات بیشتری در مورد زیرساخت جسم شکسته شده و تغییرات ساختاری که در حین انجماد رخ می‌دهد 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 فرایند 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 می‌شوند 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

عکاسی ماکرو از دانه برف

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 می‌کند 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

به‌طور کلی جامدات الاستیک هرچه سردتر می‌شوند خاصیت ارتجاعی (الاستیسیته) کمتری پیدا می‌کنند و راحت تر می‌شکنند. به عنوان مثال، شیلنگ‌های پلاستیکی در روزهای گرم انعطاف‌پذیری بیشتری دارند و در روزهای سرد کمتر انعطاف‌پذیر هستند و در معرض ترک خوردگی قرار می‌گیرند. برای نگهداری اقلام ضروری مانند فرآورده‌های خونی در کیسه‌های پلاستیکی، نه تنها بایستی که تأثیر انجماد بر خون را در نظر گرفت بلکه می‌بایست تغییرات خاصیت الاستیسیته (شکل‌پذیری) کیسه‌های نگهداری را نیز در نظر گرفت.[۸] در حالی که بسیاری از پلیمرهای مصنوعی و طبیعی با کاهش دما تدریجاً الاستیسیته (شکل‌پذیری) 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

اگر 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 می‌دهد تا امکان شکستگی آن فراهم شود، تشکیل ساختار کریستالی یخ در داخل یک جسم نیز می‌تواند باعث آسیب قابل توجهی به ساختارهایی شود که قبلاً دست نخورده و سالم بوده‌اند. تغییرات در یوتکتیک اطراف کریستال‌های شکل دهنده که می‌تواند مضر باشد نیز بسیار قابل توجه است. البته در لحیم کاری می‌تواند بعنوان یک خنک‌کننده مفید باشد.[۳] شکست تحت تأثیر انجماد می‌تواند به عنوان بخشی از فرایند انجماد رخ دهد، به ویژه در مایعاتی که طی فرایند تشکیل کریستال‌ها منبسط می‌شوند، مانند آب. این نوع از شکستگی‌ها، پیش-شکست نامیده می‌شود.[۵]

شکل بالا یخ آمورف با چگالی بالا (HDA) و شکل پایین یخ آمورف با چگالی کم (LDA).

برای کاهش آسیب ناشی از کریستالی شدن مواد، اغلب از سرمازاها -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 سرمازاها در غلظت‌های مورد نیاز برای سلول‌های زنده سمی باشند.[۹] برای اجسام کوچک، انجماد مایعات می‌تواند به قدری سریع باشد که فرایند 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

شاید برخلاف شهود، جامدات نیز به هنگام یخ زدن به حالت‌های دیگری تغییر کنند. ممکن است فکر کنید آنها تردتر شوند. به عنوان مثال، آهن در اشکال مختلف در دماهای پایین‌تر شکننده تر (تردتر) می‌شود. فولادها شکنندگی در دمای پایین را با محدوده دمای انتقال از ناحیه شکست «انعطاف‌پذیر» (نرم) به ناحیه شکست «شکننده» (ترد) نمایش می‌دهند که از حدود ۱۰۰- درجه سانتیگراد تا حدود ۱۰۰+ 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

تصویر سیاره‌ای یخی

اگر گازها به اندازه کافی خنک شوند، به اندازه کافی جامد خواهند شد تا پدیده شکست در آنها صورت بگیرد، مانند دی‌اکسید 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 دی‌اکسید کربن جامد در ماه یا متان و نیتروژن جامد در سیاره پلوتو در حال بررسی هستند.[۱۳][۱۴][۱۵]

ملاحظات شکست

انرژی شکست

برای 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 می‌شود که با انرژی بیشتر و دمای بالاتر در سطح شکستگی سریعتر منتشر می‌شود. 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 می‌گیرد که منجر به انتشار کندتر شکستگی با دمای پایین‌تر در سطح شکستگی می‌شود. 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 می‌شود.

منابع

  1. ↑ 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.
  2. ↑ 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.
  3. 1 2 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.).
  4. ↑ 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.
  5. 1 2 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.).
  6. ↑ 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.
  7. ↑ 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.
  8. ↑ 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.
  9. ↑ 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.
  10. ↑ 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.
  11. ↑ 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.
  12. ↑ 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.
  13. ↑ 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.
  14. ↑ 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)
  15. ↑ 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.
This article is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.