Переохладился: Переохлаждение организма, причины, степени, последствия, помощь при переохлаждениях, профилактика переохлаждений

Переохлаждение организма, причины, степени, последствия, помощь при переохлаждениях, профилактика переохлаждений

Отчего организм может переохладиться? Если он потеряет гораздо больше тепла, чем вырабатывает, что происходит обычно при долгом нахождении в условиях пониженной температуры и при высокой влажности воздуха, и при ношении одежды не по погоде и даже просто тесной одежды или обуви.

В этих случаях и возникает переохлаждение всего организма.

Степени переохлаждения организма

Степени переохлаждения различаются по мере тяжести.

Легкая степень переохлаждения возникает, если температура тела понижается до 32-34 градусов. Кожные покровы приобретают бледную окраску, появляются озноб, затруднения речи, «гусиная кожа». Артериальное давление остается нормальным, если повышается, то незначительно. При легком переохлаждении уже возможны обморожение разных участков тела, 1-2 степени.

Средняя степень переохлаждения влечет за собой понижение температуры тела до 29-32 градусов. Пульс при этом значительно замедляется – до 50 ударов в минуту. Кожа становится синюшной, на ощупь холодной. Несколько снижается артериальное давление, а дыхание становится поверхностным и редким. Часто при переохлаждении средней тяжести нападает внезапная сонливость. Позволять спать в таких условиях нельзя категорически, потому что выработка энергии во время сна снижается значительно, человек в таком состоянии может погибнуть. При этой стадии переохлаждения возможны обморожения 1-4 степени.

При тяжелой степени переохлаждения

температура тела становится ниже 31 градуса. Человек уже теряет сознание, пульс его замедляется до 36 биений в минуту. Часто возникают судороги и рвота. Дыхание становится совсем редким – до 3-4 в минуту. Происходит острое кислородное голодание головного мозга. Обморожения при этой степени переохлаждения очень тяжелые, и если не оказать немедленную помощь, наступит окоченение и смерть.

Помощь должна оказываться правильно, иначе можно принести вред пострадавшему.

Первая помощь при переохлаждении

Пострадавшего нужно поместить в теплое помещение, снять с него промерзшую одежду и обувь, и согреть, желательно в ванне с теплой водой, которую нужно доводить до температуры тела (37 градусов) постепенно, в течение 15 минут.

После принятия ванны растереть тело водкой, до появления чувствительности кожи.

Хорошо укутать пострадавшего и для улучшения кровообращения и восполнения в организме тепла дать выпить горячего питья – чая, молока, киселя или морса, но не кофе и не алкоголь, способствующих резкому расширению кровеносных сосудов, что чревато их разрывами, внутренними кровоизлияниями и нарушения работы сердца.

Последствия переохлаждения

Обычно переохлаждение организма бесследно не проходит, ведь защитные силы организма от перенесенного стресса снижаются. При переохлаждении организма  любой степени тяжести  создаются благоприятные условия для проявления острых респираторных заболеваний, есть шанс развития изменений в головном мозге и сосудах. Но самым серьезным последствием переохлаждения можно считать отморожение частей тела и конечностей. Уж лучше попытаться предупредить переохлаждение, чем страдать от его последствий.

Профилактика переохлаждений.

1. В холодную морозную погоду нужно одеваться многослойно – между слоями одежды тепло удерживается за счет воздуха.
2. Металлические украшения на морозе носить не рекомендуется, так как они остывают быстрее человеческого тела, и возникает риск переохлаждения соприкасаемых участков кожи.
3. Увлажняющий крем, используемый незадолго до выхода на улицу, увеличивает риск переохлаждения и обморожения. Если морозы средние, то подойдет жирная косметика для лица и рук. А при сильных морозах желательно использовать косметику не позднее, чем за 3 часа до выхода.
4. Голодный желудок не способствует выработке энергии, необходимой для борьбы с холодом.
5. Алкоголь в крови способствует переохлаждению, вызывая большую потерю тепла, одновременно создавая ложный эффект согревания организма «изнутри».
6. Курение на морозе делает более уязвимыми конечности, так как никотин, спазмируя сосуды, уменьшает циркуляцию крови в руках и ногах.
7. Как только конечности начали замерзать, тотчас же начинайте ими интенсивно двигать, увеличивая приток крови, иначе переохлаждение усилится, и позже движения станут болезненными и проявятся повреждения кожных покровов.
8. Постоянное закаливание организма, рациональное питание предупреждает его переохлаждение, как и отказ от вредных привычек(курение, алкоголь).

По материалам Интернет                                 инструктор-валеолог Красильникова Ю.С.

Как избежать переохлаждения организма и что делать, если вы все-таки перемерзли

Если вы сильно замерзли на улице, не спешите растирать руки снегом, принимать горячую ванну или пить алкогольные напитки: это может сильно навредить здоровью.

Переохлаждение наступает быстрее, если низкая температура сопровождается повышенной влажностью воздуха. Это стоит учитывать и не одеваться слишком легко, если термометр показывает 0 градусов или небольшой плюс, но на улице сыро. При такой погоде может быть холоднее по ощущениям, чем при морозе.

Различают состояние, когда человек просто замерз и действительно переохладился. Последнее сопровождается понижением температуры тела до 36 градусов и ниже, снижением частоты сердечных сокращений, сонливостью, посинением кожных покровов.

Замерзшие руки и ноги не следует растирать снегом и опускать в горячую воду. Подобные процедуры после переохлаждения могут вызвать некроз тканей. Нужно попросить кого-нибудь сделать вам легкий массаж конечностей или самостоятельно потереть их.

---

---

Не нужно принимать ванну сразу после того, как вы пришли с мороза. Для сердца это слишком большая нагрузка. Согревайтесь постепенно: переоденьтесь в теплую одежду, накройтесь одеялом и посидите так около получаса. Только после этого можно приступать к водным процедурам.

На морозе не следует носить металлические аксессуары – они станут дополнительным источником охлаждения, препятствующим нормальному кровообращению.

Стоит помнить, что в холодное время года при длительном пребывании на улице лучше одеваться, придерживаясь принципа многослойности: воздух под каждым слоем одежды будет вас согревать.

---

---

Перчаткам лучше предпочесть рукавицы, и обязательно нужно надевать шапку.

Необходимо регулярно укреплять иммунитет и полноценно отдыхать: слабый организм замерзает быстрее и подвержен простудным заболеваниям. Пища, богатая растительными фитонцидами и калориями, становится незаменимой в холода.

Чтобы избежать переохлаждения, следует не находиться слишком долго на улице при большом морозе. Если вы планируете долгий маршрут в морозный день, позаботьтесь, чтобы на нем были остановки в закрытых помещениях, где можно было бы согреться. Постарайтесь как можно быстрее найти кафе и выпить горячий напиток.

Алкоголь пить для согревания не следует. Он может расслабить, но не согреет тело так, как чай. К тому же окажет дополнительную нагрузку на сердце и весь организм, и без того справляющийся со стрессом, которым является температурный перепад.

Можно ли простудиться от того, что замерз?

В рубрике «Вопрос» Reminder отвечает на вопросы читателей, касающиеся здоровья, саморазвития и практической философии. Вы можете писать на [email protected] с пометкой «хочу спросить».

В этом выпуске отвечаем на вопрос Богдана:

🥶 Можно ли простудиться от того, что замерз? Посидел у открытого окна? Прогулялся легко одетым? Посидел на холодном полу? 

Коротко. Нет, простудой можно заразиться только от носителя болезни или через прикосновение к загрязненным вирусными частицами предметам; предположительно холод может вызывать иссушение слизистых оболочек носа, что облегчает проникновение вируса в дыхательные пути, но только если у вас есть с ним контакт.

 

Подробно по этому вопросу мы проконсультировались с педиатром клиники DocDeti Иваном Лукьянченко. 

Можно ли простудиться из-за переохлаждения? 

«Простуда» — это устаревшее название ОРВИ, доставшееся нам в наследство от тех времен, когда причиной этой болезни считалось охлаждение тела, а повышенная температура расценивалась как попытка организма «прогреться». На самом деле, это инфекция верхних дыхательных путей, которую в 95% случаев вызывают вирусы, в том числе четыре «старых» коронавируса. Еще причиной воспаления могут быть бактерии и грибки, но обычно они поражают организм во вторую очередь, когда он уже ослаблен борьбой с вирусом. Что касается температуры тела, то она повышается для облегчения работы иммунных клеток и стимуляции выработки белков, блокирующих размножение вируса. Еще несколько ключевых фактов: 

• Вирусу безразлично, тепло вам или холодно; его задача — найти у вас в организме рецепторы, подходящие для его белков, чтобы «прилепиться» к клетке и проникнуть внутрь.  

• Переохлаждение начинается лишь тогда, когда температура тела опускается ниже 35 градусов. В этом случае «простуда» — последнее, о чем стоит беспокоиться, потому что главные последствия такого состояния —обморожение и кома. Но вряд ли это грозит человеку, который решил прогуляться зимой в парке, даже если он «продрог». Замерзнуть — не значит переохладиться. Мурашки и озноб (то есть сокращения мышц) — это меры, которые организм принимает как раз для того, чтобы согреться и избежать переохлаждения. 

• Никакой связи между ощущением холода и состоянием иммунной системы нет. Как показывает обзор исследований, опубликованный в журнале Medicine and Science in Sports and Exercise, низкие температуры не ослабляют иммунитет, а закаливание его не укрепляет. Последнее лишь приучает нервную систему к холоду, то есть повышает порог чувствительности, благодаря чему охлаждение становится для вас более комфортным. Да, есть мнение, что охлаждение стоп может поспособствовать активизации «дремлющих» в организме бактерий-возбудителей цистита, но пока это лишь гипотеза. 

Опасен ли сквозняк? 

Представление о том, что «сквозняк» может стать причиной простуды, —типичный миф. Единственное, на что способен направленный поток холодного воздуха, это на спазм мышц и сосудов в конкретном месте тела, что иногда приводит к боли и временному ограничению подвижности. Эффект примерно такой же, как при езде в холод на велосипеде без перчаток, когда от встречного ветра у вас начинает «ломить» руки. В остальном струя свежего воздуха совершенно безопасна. Чего не скажешь о борьбе со сквозняками. На самом деле регулярное проветривание помещения — одно из базовых санитарных правил для снижения риска ОРВИ. Барьером на пути вируса служит слизистая оболочка, покрывающая дыхательные пути, а в духоте может происходить ее пересушивание, что облегчает патогенам проникновение в организм. Конечно, если они есть в помещении. 

Правда, есть также предположения, что холодный воздух может высушивать слизистую оболочку носа, делая дыхательные пути более уязвимыми перед вирусом. Но в квартире с нерегулируемым центральным отоплением пересушить слизистую гораздо проще.

А если заболел, но ни с кем не общался?

Не заметить контакт — проще простого. У любого инфекционного заболевания есть инкубационный период, то есть время, за которое организм опознает поражение и начинает принимать ответные меры. Его продолжительность зависит от агрессивности вируса, количества вирусных частиц и состояния защиты дыхательной системы. Например, при гриппе инкубационный период может достигать 4 дней. Кроме того, при наличии хорошего иммунитета ОРВИ после заражения может какое-то время протекать бессимптомно, а затем начать проявляться по мере ослабления организма. Поэтому возникает впечатление, что болезнь взялась ниоткуда. Возможно, пока болезнь никак себя не проявляла, вы успели и подышать у открытого окна, и выпить холодной воды, и промочить ноги, и посидеть на холодном полу. Но симптомы появились не поэтому. Главные факторы снижения сопротивляемости организма — плохой сон, недостаточное потребление воды и алкоголь, а не холод. 

Простуда. Что это – инфекция или что-либо другое? Полезно знать

25.04.2014

Насморк, простуда весьма распространенное состояние. Что такое простуда известно всем. Кашель, насморк, боли в горле, недомогание, слабость, разбитость – каждый хоть раз в жизни испытал на себе этот малоприятный букет. Причина этого заболевания  наиболее верно выражена в его русском  названии – «простуда». «За-студиться», «про-студиться», «простыть», то есть переохладиться, замерзнуть и, как следствие этого – заболеть. Действительно пик простудных заболеваний в нашем холодном, суровом климате выпадает на раннюю весну и позднюю осень.

      Представьте себе такую ситуацию – вы попали под дождь, промочили ноги, замерзли. И вот утром у вас появляется сухость и зуд в полости носа, чихание, затем, как говорится, «ручьем полило» из носа. Такое состояние длится день-два, потом выделения из носовых ходов становятся более густыми, количество их уменьшается, и через несколько дней вы чувствуете, что полностью поправились. Что с вами было? Это была разновидность острого насморка не связанного с заражением вирусами.

      Причину его возникновения объяснил еще 30 лет назад академик Вильгельм Фомич Ундриц. При переохлаждении конечностей человека рефлекторно наступает замедление колебаний ресничек в полости носа. При этом, естественно нарушаются защитные функции носа. Активизируются  микробы постоянно обитающие в полости носа и вызывают воспаление.

      Но стоит ли во всем винить погоду? Переохлаждение является причиной возникновения острого «незаразного» насморка. В основе «заразного» ринита лежит вирусная инфекция. Респираторные (дыхательные) вирусные инфекции характеризуются прежде всего поражением слизистых оболочек дыхательных путей. Термин «катар верхних дыхательных путей»  долгое время являлся дежурным диагнозом участковых терапевтов, пока на смену ему не пришли ОРЗ (острое респираторное заболевание) и  ОРВИ (острая респираторно-вирусная инфекция). Однако эти диагнозы также полностью не отражают специфику заболевания. К числу респираторно-вирусных болезней относятся парагриппозные, аденовирусные, респираторно-синцитиальные, риновирусные, коронаровирусные и коксакивирусные болезни.

Симптомы ОРЗ были описаны еще Гиппократом в глубокой древности, но лишь после открытия вируса гриппа в 1933 году возникло мнение о различной первопричине острых заболеваний верхних дыхательных путей. Еще в начале 20 века ученые показали возможность заражения здоровых людей путем введения им предварительно профильтрованного через бактериальный фильтр секрета из полости носа больного насморком. Значит насморк вызывают вирусы. В1960 году  была выделена эта группа вирусов, которую стали называть «риновирусы». Но до сих пор закономерности развития риновирусной инфекции изучены недостаточно.

      Известно лишь, что  риновирусная инфекция широко распространена, особенно в странах с холодным климатом, и встречается в течение всего года. Возникает это заболевание в виде эпидемии, особенно в крупных городах, но в отличие от гриппа эпидемические вспышки носят локальный характер, в основном весной и осенью.

      Заболевание начинается остро, с общего недомогания и познабливания. Появляются «царапанье» в горле, частое чихание, заложенность носа. Со второго дня болезни к этому присоединяются обильные выделения из носа. Длится заболевание от 3 дней до 3 недель.

      Существует известное предубеждение к лечению насморка.  «Если насморк не лечить, то он длится неделю, а если лечить – то всего 7 дней» — отчасти эта шутка права, кардинального средства для быстрого излечения насморка нет. Но если насморк не лечить, он может вызвать гораздо более серьезные осложнения – через евстахиеву трубу воспаление может распространиться на полость среднего уха, через соустья – на околоносовые пазухи, через носоглотку – на глотку, гортань, трахею, бронхи и легкие. Поэтому в первую очередь проводится симптоматическое лечение – восстановление носового дыхания с помощью сосудосуживающих средств.

     Широко применяются методы народной медицины. Это прежде всего отвлекающая терапия – горчичные ножные ванны, сухая горчица в носки. Это обильное питье – травяные отвары, чаи, теплое молоко. Следует помнить о раздражающем действии меда и малины и очень аккуратно употреблять их в лечебных целях, а лучше исключить.

      А как же быть с «заразным» вирусным насморком?  Кроме сосудосуживающих средств,  хороший эффект дает закапывание в нос капель на основе интерферона, действующего против вирусов, но лишь на самых начальных этапах развития болезни.

     А что же будет, если часто повторяющиеся насморки оставлять без внимания? Это может привести к развитию хронических насморков. Но об этом в следующий раз.

     До новых встреч.

Автор статьи врач оториноларинголог «МЦ»МЕДИС» Иваницкая Светлана Георгиевна

При копировании материалов сайта ссылка на www.medis72.ru обязательна.

вернуться к списку…

10 признаков того, что грудничок переохладился

Новорожденные крохи замерзают намного быстрее, чем взрослые. Это связано с тем, что работа терморегулирующих механизмов еще не налажена. Переохлаждение очень опасно для грудничков, поэтому важно всегда следить за температурой тела новорожденного. При этом не обязательно постоянно иметь под рукой термометр. Достаточно просто знать симптомы переохлаждения, чтобы вовремя принять меры. 

1. Холодные руки. При переохлаждении кожа кистей рук малыша становится красной. При этом кроха может почти не чувствовать холода.
2. При растирании ручек малыш жалуется на жжение и боль.
3. Лицо приобретает неестественный цвет. Сначала она краснеет, а потом может стать бледной, и даже с синим оттенком.
4. Красный контур вокруг губ становится светлым. Также кайма приобретает тонкую синюю окантовку.  
5. Дрожь и икота.
6. Резкая смена поведения. Малыш совсем не хочет играть, у него появляются признаки апатии, чувство усталости, его клонит в сон.
7. Движения замедленны. Ребенок может очень медленно и некоординированно делать даже самые привычные движения.
8. Холодная спина, появление холодной испарины. Проверить это можно, просунув руку под одежду и дотронуться до кожи.
9. Ледяные икры, внутренняя поверхность бедра или пах. Вернувшись домой, после долгого пребывания на улице, первым делом нужно проверить указанные области. Если кожа холодная, значит, малыш переохладился.
10. Термометр показывает низкие для тела крохи значения. Очень низкой температурой для младенца является показатель ниже 36,4°С. Дети старше 12 месяцев испытывают переохлаждение при температуре 35,9°С и ниже. 

Если какие-то из признаков вы обнаружили у своего малыша во время прогулки – срочно отправляйтесь домой или зайдите погреться в теплое помещение. Оказавшись в тепле, обнимите кроху, подышите ему на кисти рук, укутайте еще теплее. Если есть возможность, то ребенку лучше принять теплую ванную. Постепенно подливайте горячую воду, но следите за тем, чтобы она была не слишком горячей.

Важно! При переохлаждении малыша ни в коем случае нельзя растирать. Это может привести к повреждениям кровеносных сосудов и мелким кровоизлияниям. Также не стоит давать ребенку горячее питье или ставить его у печки или обогревателя. Температура тела не должна меняться резко, иначе растет риск серьезно заболеть после такой холодной прогулки. Начинайте отогревать малыша постепенно.

признаки и первая помощь / Новости города / Сайт Москвы

Снег, гололедица и порывистый ветер — в Москву пришла настоящая зима. Минувшей ночью температура в городе опустилась до минус 12–14 градусов. Днём столбики термометров покажут восемь — десять градусов мороза.

С середины недели морозы пойдут на спад, но температура останется ниже нормы на несколько градусов. В такую погоду существует высокий риск получить переохлаждение и обморожение. Переохлаждение может вызвать как местную, так и общую холодовую травму, а глубокие обморожения способны привести к инвалидности.

Обморожение: основные риски

Чаще всего от холода страдают стопы, на втором месте — кисти, затем — нос, уши и щёки. Тело теряет тепло быстрее в холодной воде, а также если на человеке мокрая одежда или обувь. Вероятность обморожения выше при сильном ветре и во время метели, а также у тех, кто носит тесную обувь или долго не меняет положение тела. Способствуют холодовой травме и сосудистые заболевания, невриты, предыдущие обморожения, усталость, истощение, голод, перенесённые инфекционные болезни. Часто обморожения получают люди в состоянии алкогольного опьянения.

Какие признаки у обморожения?

Первые проявления обморожения легко не заметить. Температура кожи понижается, она бледнеет, теряет чувствительность, но может ощущаться покалывание или жжение. Пока человек на холоде, выяснить степень повреждения очень трудно. Её определяют после согревания.

Если кожа при согревании теплеет, а чувствительность восстанавливается, это значит, что холодовая травма поверхностная. Боль и отсутствие чувствительности характерны для глубоких обморожений.

По глубине поражения травмы делят на четыре типа. Первые два относят к поверхностным, остальные — к глубоким. При обморожении первой степени поражаются поверхностные слои кожи. После согревания бледная кожа может покраснеть или даже стать синюшной, а спустя время — шелушиться. В течение недели её состояние приходит в норму.

При травме второй степени на коже образуются пузыри, наполненные жидкостью, чаще всего светлой. Примерно через неделю они спадают, и ещё через две-три недели кожный покров полностью восстанавливается.

При третьей степени пузыри часто наполнены жидкостью розового или красного цвета, а их дно сине-багровое. После отторжения омертвевших тканей образуются раны. При четвёртой степени обморожения поражённая часть тела резко отекает, становится тёмной, возможно развитие гангрены.

Первая помощь

Пострадавшего нужно перенести с холода в тёплое безветренное место, снять мокрую одежду, завернуть его в одеяло. Согреть обмороженный участок можно с помощью теплоизолирующих материалов, например ватно-марлевых повязок со слоем компрессной бумаги или полиэтиленовой плёнки, если этого нет под рукой — с помощью поролона, одеял и так далее.

Согреться помогут горячее питьё и тёплая ванна. Нагревать воду в ней обязательно нужно постепенно. Начинают с температуры плюс 17–18 градусов и примерно в течение часа воду греют до плюс 36–37 градусов.

А вот растирать обмороженную кожу льдом и снегом не стоит. Велик риск ещё больше переохладить и травмировать её.

Гипотермия, или переохлаждение

Гипотермия может развиться, если долго находиться на холоде. Это состояние организма, при котором температура внутренних органов опускается ниже 35 градусов. Её можно определить, измерив ректальную температуру.

Признаки гипотермии

Переохлаждение сопровождается общим угнетением сознания, вплоть до комы; может появиться мышечная дрожь. Понижение температуры ниже 30 градусов приводит к прекращению дрожания и появлению мышечной ригидности, напоминающей окоченение. Различают три последовательные стадии развития общей холодовой травмы: лёгкую, среднюю и тяжёлую.

При лёгкой стадии внутренняя температура тела опускается ниже 35 градусов. Сначала человек чувствует озноб, дыхание и пульс учащаются, артериальное давление немного повышается, появляется гусиная кожа. Потом из-за снижения температуры внутренних органов угнетаются их функции: уменьшается частота дыхания и сердцебиения, человек чувствует вялость, апатию, сонливость, мышечную слабость. Могут нарушиться координация движения, зрение, бывают галлюцинации.

При средней стадии обморожения температура внутренних органов снижается примерно до 30 градусов. У пострадавшего бледнеет кожа (иногда приобретает мраморный оттенок), снижается сердечный ритм, путается сознание, нарушается речь и движения, отсутствует мимика, ослаблены рефлексы, возникает ступор.

При тяжёлой стадии температура внутренних органов опускается ниже 30 градусов, угнетаются все основные жизненные функции организма. У человека могут появиться судороги и повышенный тонус мышц. Выпрямить руки и ноги становится сложно, пострадавший без сознания, рефлексы ослабевают. У человека снижается сердечный ритм и давление, дыхание становится реже; возможно недержание мочи и кала. При дальнейшем падении температуры может наступить мнимая смерть, при которой дыхание, пульс и артериальное давление едва уловимы, а рефлексы не определяются. Если внутренняя температура тела упадёт до 25–22 градусов, человек может умереть.

После согревания организма наступает реактивный период. Как правило, отмечается вялость, усталость, сонливость, скованность движений, головная боль. При тяжёлых переохлаждениях может развиться отёк внутренних органов: мозга, лёгких и других. Могут возникнуть тромбозы, а также может нарушиться сердечно-сосудистая деятельность, развиться острая почечная недостаточность и расстройство нервной системы. В последующем могут появиться воспаления внутренних органов: пневмония, бронхит, нефрит и другие.

Первая помощь при переохлаждении

Пострадавшему нужно помочь восстановить нормальную температуру тела. Самый простой и безопасный метод — это тёплая одежда, одеяла и тёплое помещение. Очень важно держать накрытой голову, потому что она отдаёт 30 процентов тепла. Можно использовать одеяла с электроподогревом. Согревать нужно только грудную клетку, иначе возможны осложнения.

Хорошо помогают горячее питье и тёплая ванна (нагревать постепенно до температуры не выше плюс 36 градусов). В ванне можно осторожно растирать тело мягкими мочалками. При лёгкой степени охлаждения бывает достаточно только согревания, при средней и тяжёлой пострадавшему нужна медицинская помощь.

 

как защитить здоровье ребёнка летом / Новости города / Сайт Москвы

Если вы собрались на прогулку с детьми в лес

Собираясь с ребёнком в лес, стоит заранее обработать одежду репеллентом от клещей.

Лучше выбрать высокую обувь, закрывающую пятки и лодыжки. Брюки необходимо заправить в сапоги, а гольфы или носки должны быть с плотной резинкой.

Кофту, майку или рубашку нужно заправить в брюки, а манжеты рукавов застегнуть для плотного прилегания к руке.

На голову обязательно надеть кепку, косынку, панамку или капюшон.

Следует выбирать одежду светлых тонов, чтобы было легче заметить клеща.

Не реже чем раз в час стоит осматривать ребёнка. Необходимо помнить, что клещ плотно присасывается только спустя час-полтора после попадания на кожу, причём там, где она наиболее тонкая и нежная: за ушами, на шее, под мышками, на волосистой части головы.

Если вы обнаружили уже присосавшегося клеща первое, что нужно сделать, — обратиться в травмпункт, где вам помогут удалить паразита и дадут дальнейшие рекомендации.

Консультативная медицинская помощь детям и взрослым оказывается круглосуточно в приёмном отделении ГБУЗ «Инфекционная больница № 1 ДЗМ» по адресу: город Москва, Волоколамское шоссе, дом 63. Телефон: +7 (495) 490-14-40.

Если обратиться в травмпункт сразу не удаётся, можно удалить клеща самостоятельно. Необходимо нежными вращательными движениями пальцев выкрутить его или, подведя нитку под брюшко и завязав его узлом, потянуть, медленно вращая, стараясь не оторвать брюшко от хоботка с челюстями. Ранку после извлечения можно смазать спиртом или йодом.

Удалённого клеща нужно поместить в чистую стеклянную баночку, положив в неё влажную ватку или салфетку, и направить для анализа в лабораторию. Адрес вирусологической лаборатории «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Москве» — Графский переулок, дом 4/9.

Отдых на пляже

Солнце — это тепло, хорошее настроение, здоровье. Однако важно знать, что при длительном пребывании ребёнка на солнце возможен солнечный или тепловой удар. Расстройства сердечно-сосудистой системы, дыхания, вялость, раздражительность, головокружение — результат теплового и солнечного ударов.

Если это произошло, надо срочно перенести пострадавшего в прохладное место и вызвать скорую помощь.

До приезда скорой нужно самостоятельно оказать первую помощь пострадавшему — приподнять ноги и уложить под колени валик из одежды, на голову положить любой холодный предмет.

Если пострадавший в сознании, можно дать крепкий холодный чай или слегка подсоленную холодную воду. Оберните пострадавшего мокрой простынёй, а для того, чтобы он получал больший доступ воздуха, обмахивайте полотенцем.

Если ребёнок получил ожоги (даже незначительные), смажьте их вазелином или любым растительным маслом. После этого в течение нескольких дней надо воздержаться от пребывания на солнце. Если на коже появились пузыри, ни в коем случае не вскрывайте их. Надо наложить повязку из сухой стерильной ткани и обратиться к врачу.

Купание в водоёмах

Купаться можно только в разрешённых местах, делать это лучше утром или вечером, когда нет ещё опасности перегрева.

Температура воды должна быть не ниже 17–19 градусов, а находиться в воде рекомендуется не более 20 минут.

Не следует входить или прыгать в воду после длительного пребывания на солнце, так как при охлаждении в воде наступает сокращение мышц, что может вызвать остановку сердца.

Во время купания не позволяйте детям заплывать на глубину.

Опасно плавать на надувных матрацах, игрушках, так как ветром или течением их может отнести от берега. Кроме того, надувные плавательные средства могут разгерметизироваться (из них может выйти воздух), и ребёнок, не умеющий плавать, может пострадать.

Если ребёнок замёрз, дрожит, посинели губы, немедленно выходите с ним из воды на берег.

Не разрешайте детям нырять с мостков, причалов, бетонных блоков, особенно если неизвестно дно водоёма.

Категорически запрещено купаться в акватории вблизи движущихся катеров, лодок и подплывать к ним.

После каждого купания пользуйтесь солнцезащитным кремом. Время приёма первых солнечных ванн — не более 15–20 минут. В дальнейшем процедура загара не должна превышать более четырёх часов (обязательно делайте перерывы). Не стоит находиться на солнце с 12 до 16 часов, в период максимальной солнечной активности.

Следует помнить, что при долгом пребывании на открытом солнце без головного убора, а также без достаточного количества питья возможен перегрев. Поэтому, отправляясь на пляж, возьмите с собой питьевую воду. А место для отдыха старайтесь выбрать в тени.

Завтраки, обеды и ужины летом

Если ребёнок в жаркую погоду отказывается от еды, попробуйте предложить ему один кисло-сладкий фрукт, тогда аппетит улучшится.

Желательно проследить, чтобы за ужином ребёнок не перегружал желудок, не наедался на ночь.

Составляйте детское меню, в котором примерно 50 процентов белков дают продукты животного происхождения (мясо, творог, сыр, йогурт, молоко, яйца, нежирные сорта морской рыбы, говяжья печень).

В мясных блюдах предпочтительнее телятина, грудка курицы, индюшки, мясо кролика.

Полноценные, необходимые растущему организму жиры ребёнок должен получать с яичным желтком или сливочным маслом.

Необходимо обязательно включать в ежедневный рацион свежие овощи и фрукты, ведь это доступные источники углеводов, ферментов и витаминов.

Кабачки, морковь, картофель, брокколи необходимо подвергать тепловой обработке.

Летом происходит усиленное выделение пота с минеральными солями. Эти потери организму обязательно нужно компенсировать. Поэтому в жаркую погоду для утоления жажды давайте ребёнку очищенную негазированную воду.

Соблюдая все эти несложные рекомендации, вы сможете сделать отдых своих детей безопасным и комфортным.

почему вода не замерзает в облаках

21-04-2010

Переохлаждение, состояние, при котором жидкости не затвердевают даже ниже их нормальной точки замерзания, до сих пор вызывает недоумение у ученых. Хороший пример этого явления ежедневно встречается в метеорологии: облака на большой высоте представляют собой скопление переохлажденных капель воды ниже точки их замерзания. Ученые из Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (CEA), Национального центра научных исследований (CNRS) и ESRF нашли экспериментальное объяснение феномена переохлаждения.Их исследование опубликовано на этой неделе в журнале Nature.

Переохлажденные жидкости остаются в метастабильном состоянии даже при температуре ниже точки замерзания, чего можно достичь только в жидкостях, не содержащих затравки, которые могут вызвать кристаллизацию. Облака на большой высоте — хороший тому пример: они содержат крошечные капельки воды, которые в отсутствие затравочных кристаллов не образуют льда, несмотря на низкие температуры. Однако в повседневной жизни обычно присутствует некоторая кристаллическая примесь, контактирующая с жидкостью, которая запускает процесс кристаллизации и, следовательно, замерзание.Контроль за процессом затвердевания важен для различных применений, от предотвращения града до технологических процессов, таких как сварка и литье, или даже для выращивания полупроводниковых наноструктур.

Переохлаждение было открыто еще в 1724 году по Фаренгейту, но даже сегодня это явление остается предметом интенсивных дискуссий. За последние 60 лет само существование глубокого переохлаждения привело к предположениям о том, что внутренняя структура жидкостей может быть несовместима с кристаллизацией.Модели предполагают, что значительная часть атомов в жидкостях объединяется в кластеры с пятикратной координацией. Однако для образования кристалла нужна структура, которая может периодически повторяться, заполняя все пространство. Это невозможно с пятикратно скоординированными кластерами. В двумерном аналоге плоскость не может быть заполнена только пятиугольниками, тогда как треугольники, прямоугольники или шестиугольники могут идеально заполнять плоскость. В этом примере пятиугольники являются препятствием для кристаллизации.

До сегодняшнего дня не было экспериментальных доказательств того, что эти пятикратно скоординированные структуры являются причиной переохлаждения.Исследователи из CEA, CNRS и ESRF изучили структуру конкретной жидкости, сплава золота и кремния, в контакте со специально декорированной поверхностью кремния (111), где самый внешний слой твердого тела имел пятиугольные атомные структуры. Их результаты подтвердили наличие сильного эффекта переохлаждения. «Мы изучили, что происходит с жидкостью при контакте с пятиступенчатой ​​скоординированной поверхностью», — объясняет Тобиас Шулли, первый автор статьи. Команда провела контрольный эксперимент с той же жидкостью, подвергшейся воздействию трех и четырех скоординированных поверхностей, что резко снизило эффект переохлаждения. «Это первое экспериментальное доказательство того, что пятиугольный порядок является причиной переохлаждения», — объясняет Тобиас Шулли.

Капля жидкого сплава золото-кремний на поверхности кремния (111). Пентагональные кластеры, образованные на границе раздела, имеют более плотную структуру по сравнению с твердым золотом и предотвращают кристаллизацию жидкости при температурах на 300 Кельвинов ниже температуры затвердевания.Графика: M.Collignon

Именно в ходе своих исследований, первоначально сосредоточенных на росте полупроводниковых нанопроволок, ученые обнаружили необычные свойства этих жидкостей. Наблюдая за первой стадией роста нанопроволок, они могли видеть, что сплав металл-полупроводник, который они использовали, оставался жидким при гораздо более низкой температуре, чем его точка кристаллизации, и поэтому они решили исследовать это явление. Эти жидкие сплавы популярны в прикладных исследованиях, поскольку они позволяют выращивать сложные полупроводниковые наноструктуры при низких температурах роста.Большинство этих нанопроволочных структур выращивают на кремнии (111), той же поверхности, которую использует команда. Полупроводниковые нанопроволоки — многообещающие кандидаты в электронные устройства будущего. Яркими примерами являются солнечные элементы, где ученые работают над интеграцией кремниевых нанопроволок, чтобы повысить их производительность. Новый инструмент для исследований роста кремниевых нанопроволок в настоящее время вводится в эксплуатацию в ESRF при финансовой поддержке Fondation Nanosciences.

Когда чистая вода охлаждается ниже точки замерзания, она может оставаться в переохлажденном состоянии.Затем он может быстро кристаллизоваться в лед при стимуляции подходящим катализатором, например встряхиванием бутылки. Кредиты: Дж. Кьюсак.

Артикул:

Schülli, T. U. и др., Nature, 22 апреля 2010 г.

Причудливая физика переохлажденной воды

Наука может быть сложной, но по крайней мере некоторые вещи надежны, не так ли? Например, вода с температурой ниже 32 ° по Фаренгейту, также известная под названием «лед». Но на самом деле можно «переохлаждать» жидкую воду до температуры ниже точки замерзания.В этот момент все становится довольно сумасшедшим — посмотрите видео ниже, если вам нужны доказательства, — но у ученых не было хорошего способа наблюдать за этой фазой воды, потому что она быстро превращается в лед. Однако теперь новый эксперимент позволил исследователям впервые взглянуть на микроскопическую структуру переохлажденной воды.

Вода, вода повсюду

Несмотря на повсеместное распространение на этой планете (и в наших телах и во Вселенной), вода — довольно странное вещество. Он коррозийный, его твердая форма плавает на жидкой форме, у него сверхвысокое поверхностное натяжение — и, очевидно, если он достаточно быстро остынет, он может иметь два разных вида жидкой формы с фазовым переходом (т. Е. Порог между жидкая вода и переохлажденная вода) где-то около 228 кельвинов (-49 ° F). Но пока это всего лишь теория. (Идея множественных форм воды может быть знакома поклонникам изобретения Курта Воннегута «ледяной девятки», романа и, как оказалось, невозможного расположения молекул воды, которое позволяет ей замерзать при комнатной температуре.Проблема в том, что сложно собрать достаточно этой переохлажденной жидкой воды, чтобы исследовать ее с какой-либо точностью. Фактически, ученые называют жидкую воду ниже 232 К (-42 ° F) «нейтральной зоной», потому что до нее так сложно добраться. Но теперь у них есть способ измерить «объем жидкой воды» при таких невероятно низких температурах, согласно докладу из Nature , опубликованному на этой неделе.

Проверка капель

Вот как это работает. «Дозатор капель» выбрасывает крошечные капли воды в вакуум, который охлаждает воду почти сразу за счет испарения.Но, что очень важно, в некоторых каплях остается достаточно жидкой воды, чтобы ученые могли ее изучить. Перпендикулярно лучу капель воды находится рентгеновский лазер, излучающий чрезвычайно короткие импульсы, длиной всего 50 фемтосекунд (то есть 50 квадриллионных секунды). Изучая дифракционную картину, которая возникает, когда один из этих импульсов встречает каплю переохлажденной воды, ученые могут исследовать структурный состав капель. На данный момент они доказали, что жидкая вода с температурой 227 К (-51 ° F) остается стабильной достаточно долго для того, чтобы этот метод работал, а это означает, что они надежно вошли в нейтральную зону.И их ранние наблюдения показывают, что структура воды немного меняется при ультрахолодных температурах, становясь более упорядоченной, но все же жидкой. Что еще они откроют на нейтральной территории — и как это поможет нам лучше понять (и использовать) один из самых богатых материалов во Вселенной — нам придется подождать и посмотреть.

Изображение: grasycho / Shutterstock

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы ​​установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Два метода переохлаждения воды

Вы можете охладить воду ниже указанной точки замерзания, а затем по команде кристаллизовать ее в лед.Это называется переохлаждением. Вот пошаговая инструкция по переохлаждению воды в домашних условиях.

Метод № 1

Самый простой способ переохлаждать воду — охладить ее в морозильной камере.

1. Поместите неоткрытую бутылку с дистиллированной или очищенной водой (например, полученной с помощью обратного осмоса) в морозильную камеру. Минеральная вода или водопроводная вода не очень хорошо переохлаждены, потому что они содержат примеси, которые могут снизить температуру замерзания воды или же служат центрами зародышеобразования для кристаллизации.
2. Дайте бутылке с водой спокойно остыть в течение 2-1 / 2 часов. Точное время, необходимое для переохлаждения воды, зависит от температуры морозильной камеры. Один из способов сказать, что ваша вода переохлаждена, — это поставить в морозилку бутылку с водопроводной водой (нечистой воды) одновременно с бутылкой чистой воды. Когда вода из-под крана замерзнет, ​​чистая вода будет переохлаждена. Если и чистая вода замерзает, значит, вы либо слишком долго ждали, либо чем-то испортили емкость, либо вода была недостаточно чистой.
3. Осторожно удалите переохлажденную воду из морозильной камеры.
4. Вы ​​можете инициировать кристаллизацию льда несколькими способами. Два самых интересных способа заморозить воду — это встряхнуть бутылку или открыть бутылку и вылить воду на кусок льда. В последнем случае струя воды часто замерзает от кубика льда обратно в бутылку.

Метод № 2

Если у вас нет пары часов, есть более быстрый способ переохлаждать воду.

1. Налейте около 2 столовых ложек дистиллированной или очищенной воды в очень чистый стакан.
2. Поместите стакан в емкость со льдом так, чтобы уровень льда был выше уровня воды в стакане. Не допускайте попадания льда в стакан с водой.
3. Посыпьте лед несколькими столовыми ложками соли. Не допускайте попадания соли в стакан с водой.
4. Подождите около 15 минут, чтобы вода остыла ниже нуля. Как вариант, вы можете вставить термометр в стакан с водой.Когда температура воды ниже нуля, вода переохлаждена.
5. Чтобы вода замерзла, налейте ее на кусок льда или бросив в стакан небольшой кусочек льда.

Переохлажденная вода трансформируется между двумя формами

Переохлажденная вода уникальна, как показывает новое исследование.

Ученые давно подозревали, что вода при минусовых температурах бывает двух различных разновидностей: жидкость высокой плотности, которая появляется при очень высоком давлении, и жидкость низкой плотности при более низком давлении. Теперь сверхбыстрые измерения обнаружили, что вода превращается из одного типа жидкости в другой, что подтверждает эту догадку. Открытие, о котором сообщается в журнале Science от 20 ноября, может помочь объяснить некоторые причуды воды.

Эксперимент «добавляет все больше и больше доказательств к идее о том, что вода на самом деле состоит из двух компонентов… и это причина того, почему вода такая странная», — говорит физик Грег Киммел из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон. не принимал участия в исследовании.

Вода, свободная от примесей, может оставаться жидкой при температуре ниже своей типичной точки замерзания, равной нулю градусов Цельсия, образуя так называемую переохлажденную жидкость. Но ожидалось, что двойная природа переохлажденной воды проявится в области температур, настолько сложной для изучения, что ее окрестили «ничейной землей». Ниже –40 ° C вода остается жидкой лишь на мгновение, прежде чем кристаллизуется в лед. Задача усложняется тем, что фаза с высокой плотностью появляется только при очень высоких давлениях.Тем не менее, «люди мечтали о том, чтобы провести эксперимент», — говорит Андерс Нильссон из Стокгольмского университета.

Подпишитесь на получение последних новостей от

Science News

Заголовки и резюме последних научных новостей статей, доставленных на ваш почтовый ящик

Благодаря быстрым экспериментальным маневрам Нильссон и его коллеги проникли на ничейную территорию, отслеживая свойства воды в наносекундном масштабе. «Это одно из главных достижений данной статьи, — говорит вычислительный химик Гюль Церце из Принстонского университета.«Я впечатлен их работой».

Ученые начали с создания типа льда высокой плотности. Затем импульс инфракрасного лазера нагрел лед, образуя жидкую воду под высоким давлением. Затем эта вода расширилась, и давление быстро упало. Тем временем исследователи использовали рентгеновский лазер, чтобы исследовать, как изменилась структура воды, основываясь на том, как рассеиваются рентгеновские лучи. Когда давление уменьшалось, вода переходила из жидкости с высокой плотностью в жидкость с низкой плотностью, прежде чем кристаллизовалась в лед.

В предыдущих исследованиях использовались сверхбыстрые методы, чтобы найти намёки на двуличное поведение воды, но они проводились в основном при атмосферном давлении ( SN: 9/28/20 ). В новой работе вода наблюдалась при давлении, примерно в 3000 раз превышающем атмосферное, и температуре –68 ° C. «Это первый раз, когда у нас есть реальные экспериментальные данные при таких давлениях и температурах», — говорит физик Лони Крингл из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, который был не участвовал в эксперименте.

Результат может указывать на то, что переохлажденная вода имеет «критическую точку» — определенное давление и температуру, при которых две отдельные фазы сливаются в одну.В будущем Нильссон надеется точно определить это место.

Такая критическая точка может объяснить, почему вода — необычная жидкость. Для большинства жидкостей охлаждение делает их более плотными и трудными для сжатия. Вода становится плотнее при охлаждении до 4 ° C, но становится менее плотной при дальнейшем охлаждении. Точно так же его сжимаемость увеличивается по мере охлаждения.

Если у переохлажденной воды есть критическая точка, это может указывать на то, что вода, с которой сталкивается в повседневной жизни, является странной, потому что при типичных давлениях и температурах это сверхкритическая жидкость — странное состояние, которое возникает за пределами критической точки.Такая жидкость не будет иметь форму с высокой или низкой плотностью, но будет состоять из некоторых областей с высокой плотностью расположения молекул воды и других карманов с низкой плотностью. Относительные количества этих двух структур, которые являются результатом разного расположения водородных связей между молекулами, будут меняться при изменении температуры, что объясняет странное поведение воды при охлаждении.

Итак, несмотря на то, что в эксперименте были задействованы экстремальные давления и температуры, по словам Нильссона, «он влияет на воду в нашей обычной жизни. ”

Переохлажденная и стекловидная вода: метастабильная жидкость (жидкости), аморфное твердое тело (вещества) и ничейная земля.

Реферат

Мы делаем обзор недавних исследований переохлажденной и стеклянной воды, уделяя особое внимание возможным источникам ее сложного поведения. Мы подчеркиваем центральную роль, которую играет сильная направленность взаимодействия вода-вода и конкуренция между локальной энергией, локальной энтропией и локальной плотностью. В этом контексте мы обсуждаем явление полиаморфизма (т.е., существование более чем одного неупорядоченного твердого состояния), подчеркивая как роль протоколов приготовления, так и трансформацию между различными неупорядоченными льдами. Наконец, мы представляем продолжающуюся дискуссию о возможности связи полиаморфизма с переходом жидкость-жидкость, который может иметь место на нейтральной полосе, окне температуры и давления, в котором гомогенное зародышеобразование препятствует исследованию воды в ее метастабильной жидкой форме.

Вода, молекула жизни, есть буквально повсюду.Он покрывает поверхность Земли в виде озер, рек, океанов, ледяных шапок и ледников. Он заполняет обширные подземные пещеры и находится в нашей атмосфере в виде пара или облаков. Однако вода не ограничивается Землей. Он находится на планетах нашей солнечной системы и их спутниках, а также на астероидах и кометах (1), возможно, в его стеклянной (т.е. аморфной ледяной) форме (2). Вода в виде аморфного твердого вещества также широко распространена в межзвездной среде (3), где она может играть фундаментальную роль в образовании сложных органических молекул, таких как аминокислоты и сахара (4).В свете этой повсеместности неудивительно, что научная литература, посвященная воде и водным растворам, огромна.

В этой статье мы уделяем особое внимание объемной воде в метастабильных условиях, то есть воде ниже ее равновесной температуры плавления, как в виде переохлажденной жидкости, так и в виде аморфного твердого вещества. Мы пытаемся понять нетрадиционное поведение воды в ее жидкой и стеклянной форме. Действительно, несмотря на то, что вода является самой распространенной жидкостью, как это ни парадоксально, с научной точки зрения она считается аномальной из-за ее довольно сложного поведения.Например, изобарная теплоемкость CP, изотермическая сжимаемость KT и вязкость η демонстрируют немонотонную зависимость от температуры T и / или давления P, которая усиливается при переохлаждении. Неполное понимание происхождения многочисленных аномалий мотивирует научный интерес к жидкой воде и, в еще большей степени, к ее метастабильному жидкому состоянию. Точно так же неупорядоченная твердая форма воды также имеет свои особенности. Он отображает полиаморфизм (аморфный полиморфизм), термин, созданный по аналогии с кристаллическим полиморфизмом, указывающий на существование более чем одной неупорядоченной аморфной формы.

Поскольку в последние годы появилось несколько высококачественных обзоров, посвященных переохлажденной и стеклянной воде (5–14), вместо того, чтобы быть исчерпывающими, мы сосредоточились на ограниченном количестве экспериментальных и теоретических исследований. В частности, мы пытаемся разъяснить нынешнее понимание объемной (в отличие от ограниченной) воды в переохлажденном жидком состоянии выше температуры гомогенного зародышеобразования Th и в аморфном состоянии ниже Tx, температуры, при которой стекло кристаллизуется при нагревании.Эти две температуры определяют промежуточное окно в плоскости T – P, в котором наблюдается только кристаллический лед. Это окно, которое современные исследования пытаются уменьшить, работая с все меньшими и меньшими образцами, а также с более и более старыми очками, принято называть ничейной землей (15). Мы также подробно обсуждаем феномен полиаморфизма, раскрытый Mishima et al. (16, 17) и Мисима (18), который с тех пор является предметом интенсивных дискуссий. Прежде всего, мы стремимся кратко упомянуть ключевые результаты и указать на открытые вопросы, которые разделяют эту область, надеясь предоставить представление о некоторых из различных идей, предлагаемых для интерпретации имеющихся экспериментальных результатов и связанных с ними теоретических основ. Действительно справедливо заявить, что даже сегодня нет единого мнения о происхождении аномального поведения жидкой воды и о происхождении и существовании термодинамически различных неупорядоченных полиаморфов.

Жидкая вода

Физика воды.

Что делает воду особенной по сравнению с другими жидкостями, так это сильная направленность потенциала межмолекулярного взаимодействия. Доминирующий вклад, называемый водородной связью (ВС), имеет промежуточную прочность между более сильной ковалентной связью и более слабым дипольным взаимодействием.Кроме того, прочность HB значительно больше, чем тепловая энергия в комнате T. Для HB требуется атом водорода, направленный на ближайший атом кислорода. Сила HB максимальна, когда атом водорода коллинеарен акцепторному и донорному кислороду, и постепенно ослабевает при увеличении угла HOO.

Сила HB и его направленность являются ключевыми элементами в управлении термодинамическими и динамическими характеристиками жидкой воды. Если бы взаимодействия HB не существовало, вода вела бы себя так же, как и все другие трехатомные молекулы H ₂ X, где X представляет любой халькоген, и она была бы газообразной в комнате T (19).Если бы взаимодействие между молекулами воды было изотропным и описывалось притяжением, сравнимым с силой HB, критическая T газ-жидкость была бы примерно на порядок выше температуры, чем реальное экспериментальное значение (647 K). Что делает воду жидкостью при температуре окружающей среды T, так это направленность HB и ограниченное количество линейных HB, которые может образовать молекула (не более четырех). Такая ограниченная валентность значительно снижает критическое значение T по сравнению с изотропным случаем (20).Это приводит к возникновению жидкой фазы в комнате T, в которой число ближайших соседей составляет около четырех, что значительно ниже типичного значения, наблюдаемого в простых жидкостях, а именно 12. Поскольку при охлаждении перколяция предшествует критической точке (CP) газа и жидкости, жидкость Фазу можно описать как просачивающуюся сеть ВС (21), постоянно перестраивающуюся в пикосекундном масштабе времени.

Направленность взаимодействия отвечает за своеобразную корреляцию между локальной энергией, плотностью и энтропией.Установление четырех линейных ВС (состояние низкой энергии) возможно только при четко определенных ориентациях молекулы воды (низкая энтропия и плотность). Формирование такого состояния вызвано уменьшением энергии, но контрастирует с уменьшением энтропии и увеличением механической работы (PV, V — объем). Точно так же образование локально более плотных структур, связанное с присутствием дополнительных молекул в первой координационной оболочке, порождает искаженные HBs и состояния с более высокой локальной энергией и энтропией.Формирование этих более плотных локальных сред обусловлено энтропией и PV и контрастирует с потерями энергии. Оба этих структурных мотива присутствуют в жидкой воде. Наиболее яркими примерами являются среды, характеризующиеся четырьмя и тремя линейными HB. В первом случае локальное расположение в хорошем приближении тетраэдрическое, а во втором случае пятый сосед, локально искажающий картину ГВ, присутствует в первой координационной оболочке (22).

Аномалии воды.

Конкуренция между различными местными средами была идентифицирована как источник аномалий жидкой воды, как в ее стабильном, так и в метастабильном состоянии (21). В то время как в простой жидкости роль T и P ограничивается плавным изменением локальных свойств, в воде изменение этих управляющих переменных изменяет равновесие между различными локальными средами. Как правило, уменьшение T способствует полностью связанным локальным конфигурациям, а увеличение P — более искаженным.Такое равновесие между различными классами, которого нет в простых жидкостях, является причиной существования T, при котором плотность достигает максимального значения при постоянном давлении TMD (5). Когда T = TMD, увеличение V, связанное с образованием более связанных локальных конфигураций, компенсирует уменьшение V, связанное с уменьшением тепловых колебаний. Последний является механизмом, отвечающим за сжатие при охлаждении во всех материалах. Равновесие между различными локальными средами также объясняет другие аномалии, такие как ускорение динамики при увеличении P (молекулы с искаженными связями имеют большую подвижность).

Изображение воды, состоящей из двух или более классов локально различных по структуре молекул, является повторяющейся темой в исследованиях науки о воде, часто контрастирующей с альтернативной картиной, основанной на континууме геометрических структур. Уже первые компьютерные симуляции воды (28) предоставили доказательства того, что все локальные свойства характеризуются широким унимодальным распределением с зависимостью средних значений от T и P, что, по-видимому, исключает возможность значимого определения различных местных сред.Только недавно прогресс в анализе данных позволил показать, что классы структурно различных локальных сред могут быть надежно определены, если оцениваются соответствующие параметры порядка (29, 30). Эти новые анализы, примененные к новым и старым данным моделирования, показывают, что молекулы воды, различающиеся в их локальной среде, можно рассматривать как частицы, находящиеся в химическом равновесии. Интересно, что способность разрешать эти классы требует информации о степени трансляционного порядка оболочки второго ближайшего соседа (31), сложных моделей марковского состояния (32) и, в некоторых случаях, подавления (33) колебательного (трансляционный и либрационный) компонент через методологию внутренней структуры (34).

Молекулы с тетраэдрическим локальным порядком постепенно группируются в пространстве при охлаждении? Становится ли эта кластеризация, которая может происходить из сильно направленных взаимодействий (геометрическая корреляция) и перераспределения электронной плотности при связывании (поляризуемые и квантовые эффекты), настолько интенсивной, чтобы вызвать полное разделение этих по-разному связанных молекул и, возможно, различных? неупорядоченные жидкие фазы? Ответ на эти вопросы занимает центральное место в современных исследованиях.

Переохлажденная вода.

Ответ на поставленные вопросы еще более актуален при описании переохлажденной воды, то есть воды ниже ее температуры плавления Tm. В этой области, где жидкая вода становится термодинамически менее стабильной, чем лед, все еще можно проводить измерения в жидком состоянии в течение времени, значительно превышающего время установления равновесия, но все же более короткого, чем время кристаллизации. В конце концов, однако, преобладает зарождение льда. Для наших целей мы можем просто заявить, что температура гомогенной нуклеации Th задает нижний предел существования метастабильной жидкой фазы.Область T – P, в которой зародышеобразование препятствует наблюдению метастабильных жидких состояний, получила название «ничейной земли» (15). Граница с нейтральной зоной нечетко определена, поскольку местоположение Th зависит от времени эксперимента и размера выборки. Недавние эксперименты (35) показывают, что метастабильная жидкая вода может временно существовать в миллисекундном масштабе времени вплоть до T = 227 K, устанавливая нынешний верхний предел нейтральной зоны. Это же исследование также указывает на то, что тетраэдрическое упорядочение увеличивается в переохлажденной воде.При временах короче микросекунд кристаллизации можно даже полностью избежать (см. «Маршруты подготовки », «»).

Возможные объяснения.

Экстраполяция функций термодинамического отклика на нейтральную зону лежит в основе возможных термодинамических сценариев, предлагаемых для интерпретации аномалий воды. Резкий рост KT и CP (36, 37) при охлаждении (после вычитания значительной нормальной составляющей) был связан с возможным степенным расхождением около T≈228 K и интерпретирован как результат термодинамической нестабильности.

Элегантное объяснение такого расхождения было предложено Спиди (38). В стандартных жидкостях, как предсказывает теория Ван-дер-Ваальса, спинодаль газ-жидкость (линия, исходящая из КТ газ-жидкость, определяющая среднеполевой предел устойчивости жидкой фазы) монотонна в плоскости P – T, приближаясь к T = 0 K при максимальном значении прочности на разрыв (P <0) (39). Спиди (38), однако, показал, что термодинамические ограничения накладывают возвратное поведение на спинодали в плоскости P – T, если у жидкости есть линия TMD, пересекающая линию спинодали.Если спинодаль возвращается к положительному значению P, жидкость становится неустойчивой к газоподобным колебаниям как при нагревании, так и при охлаждении (40). Несмотря на трудность вообразить жидкость, которая испаряется при охлаждении, сценарий Спиди термодинамически согласован и недавно наблюдался в однокомпонентных моделях пятнистых коллоидов (24, 25). В этих моделях возврат обеспечивается фазовыми диаграммами с замкнутым контуром (рис. 1 C и D ), где спинодаль начинается в верхней CP и заканчивается в нижней.Согласно Дебенедетти (5), сценарий Спиди не следует рассматривать как возможное объяснение аномалий воды, поскольку нет экспериментальных доказательств повторного входа в метастабильную линию сосуществования газа и жидкости (бинодаль).

Рис. 1.

Фазовые диаграммы P – T и T – ρ различных термодинамических сценариев для аномальных жидкостей. Бинодали изображены сплошными линиями, спинодали (среднего поля) — пунктирными линиями, а линия TMD — сплошной красной линией. A и B показывают поведение простой системы только с газожидкостной CP (на основе исх.23). C и D показывают поведение системы с повторно входящей спинодалью (на основе ссылок 24 и 25). E и F показывают поведение системы с CP газ-жидкость и CP жидкость-жидкость (LL) (на основе модели ST2 в ссылках 26 и 27). Светлые области в B , D и F между бинодалями и спинодалями являются областями, где соответствующие фазы являются метастабильными.

Другая возможность состоит в том, чтобы предположить не расхождение экстраполяций KT и CP на нейтральную зону, а скорее максимум.Такой сценарий часто называют сценарием без сингулярностей (рис. 1 A и B ). Этот сценарий согласуется с интуицией (а также экспериментальными и численными наблюдениями), что переохлажденная вода приближается к структуре полностью связанной случайной тетраэдрической сетки при охлаждении. Переход от слабо тетраэдрической структуры при температуре окружающей среды к полностью развитой тетраэдрической структуре при очень низкой температуре T действительно предполагает сигмоидальную T-зависимость локальных свойств (например, энергии и объема) и максимум их T-производных.Максимум удельной теплоемкости типичен для систем с квантованными уровнями энергии (аномалия Шоттки) и обычно наблюдается, когда частицы образуют ограниченное количество прочных связей, так что энергия является заместителем количества связанных пар.

Ts, при которых функции отклика принимают максимальное значение при оценке при различных давлениях, определяют места в плоскости P – T, вдоль которых максимальны колебания. В сценарии LLCP (26, 41) предполагается, что линии экстремумов CP и KT сходятся к общей линии [линия Widom (42)], которая исходит из CP при положительных давлениях.Эта новая CP обычно обозначается как вторая CP, а газожидкостная CP является первой. Этот сценарий (рис.1 E и F ), обнаруженный в компьютерном моделировании модели воды ST2 (26, 41), подразумевает, что действительно существует пространственная корреляция между молекулами в тетраэдрической и искаженной локальной среде, что приводит к сегрегация двух классов молекул на макроскопических расстояниях. Это указывает на существование реального термодинамического разделения фаз между двумя неупорядоченными жидкими фазами, жидкостью с низкой (ЛПНП) и высокой плотностью (ЛПВП).Две жидкости различаются не только по плотности, но и по локальному порядку, что свидетельствует о том, что термодинамика воды контролируется двумя параметрами порядка (9).

Недавно обширные исследования (43, 44) модели ST2 очистили поле от ошибочных результатов (45), тем самым предоставив окончательные доказательства перехода LL в этой модели. Универсальность перехода LL в жидкости с тетраэдрической сеткой обсуждалась в исследованиях, основанных на примитивных моделях пятнистых коллоидных частиц (46).Было показано, что переход LL является общей чертой для этого класса частиц (47) и что простое расширение модели ST2 для воды показывает LLCP, которая постепенно движется к температуре, при которой жидкость более устойчива, чем лед Ih (44 ). Наконец, мы подчеркиваем, что сценарий без сингулярностей эквивалентен сценарию LLCP, в котором критическая температура находится на нулевом уровне T (9, 48).

Поддержка сценария LLCP в воде, в дополнение к численным исследованиям нескольких водных (30, 49⇓⇓⇓⇓ – 54) и водоподобных (55) потенциалов, исходит из работы Holten et al.(56). Они представили уравнение состояния, построенное в предположении наличия критической составляющей в свободной энергии, совместимое со всеми доступными экспериментальными термодинамическими данными. Их расширенная оценка модели для локуса LLCP составляет 0,057 ГПа и 214 К (56). Свободная энергия среднего поля, основанная на идее химического равновесия между двумя основными классами воды, подтвержденная ранее упомянутым анализом параметров порядка данных компьютерного моделирования, также оказалась совместимой с гипотезой LLCP (29, 30, 54). .

С экспериментальной стороны признаки LLCP могут быть найдены в зависимости структурного фактора S (q) от плотности и на аналогиях между S (q), измеренным при низком и высоком давлении, и S (q), измеренным в аморфные льды низкой и высокой плотности (обсуждаемые ниже). Ref. 57 сообщает о наблюдении непрерывного превращения с увеличением P из формы воды с низкой плотностью с открытой тетраэдрической структурой с водородными связями в форму воды с высокой плотностью с нететраэдрическими ООО углами и сжатой второй координационной оболочкой.Недавние исследования колебательной динамики и релаксационных процессов в переохлажденной объемной воде с временным разрешением оптического эффекта Керра (58) показывают доказательства существования двух основных локальных конфигураций с увеличением веса открытой тетраэдрической структуры при низких T. сформулировано Sellberg et al. (35) на основе экспериментов по рентгеновскому излучению и поглощению. Сильная экспериментальная поддержка перехода LL была представлена ​​Мисимой и Стэнли (59) и Мисимой (60).Они измерили метастабильные линии плавления льдов III, IV и V и обнаружили разрывы в случае льдов IV и V и непрерывную линию в случае льда III. Разрыв указывает на то, что свойства жидкости, находящейся в равновесии с кристаллом, резко меняются, что косвенно свидетельствует о пересечении линии фазового перехода LL. Непрерывная линия для льда III показывает, что в этом случае линия перехода LL не пересекается. На присутствие возможного LLCP также указывают температурная зависимость V, измеренная в эмульгированной воде (61), зависимость объемной вязкости от T и P (62) и экспериментальные исследования водных растворов (63⇓ – 65). .Таким образом, имеющиеся экспериментальные данные позволяют предположить, что локус возможного LLCP находится в области 214-232 K и 0,02-0,10 ГПа (56, 59, 61).

Попутно отметим, что, хотя наблюдение максимума сжимаемости при положительном P, возможно, предшествует зарождению кристаллов, такое наблюдение может стать доступным при отрицательном P. Недавние эксперименты с микроскопическими включениями воды в кварце, основанные на основополагающей работе [5]. 66 предполагают, что это действительно так (67, 68).

Аморфный лед

Полиаморфизм.

Теперь обратим наше внимание на задержанные беспорядочные состояния воды, наблюдаемые ниже нейтральной зоны. Одним из самых интригующих открытий в физике аморфной воды является ее полиаморфизм, иногда также называемый аморфным полиморфизмом. Термин «полиморфизм» указывает на существование нескольких различных кристаллических фаз для одного и того же компонента. В случае воды на сегодняшний день известно 17 ледяных полиморфов (69). Однако добавление термина аморфный усложняет наши дела. В принципе, полиаморфизм должен указывать на существование нескольких различных аморфных фаз для одного и того же компонента. Однако возникает вопрос, существуют ли отдельные «аморфные фазы». Аморфные твердые вещества — это неравновесные системы, и их свойства сильно зависят от истории приготовления. Их свойства также меняются со временем, и эта релаксация происходит с разной скоростью при разных T и P. Следовательно, одна и та же фаза может проявляться как отдельная в зависимости от состояния релаксации. При определенном T структурная релаксация может быть либо неизмеримо медленной, происходить в экспериментально доступных временных масштабах, либо прерываться кристаллизацией.Если это происходит в доступных временных масштабах и кристаллизация происходит медленнее, чем время наблюдения, аморфный материал проходит через многочисленные состояния релаксации и в конечном итоге достигает полностью расслабленного состояния. В этом метастабильном равновесии все еще есть избыточная энтальпия и энтропия по сравнению со стабильной кристаллической фазой. Таким образом, очень важной мерой для определения того, можно ли аморфные материалы называть «фазами», а не «состояниями», является разделение временных масштабов между структурной релаксацией и кристаллизацией.

Принимая во внимание эти соображения, мы оперативно определяем полиаморфизм как наличие более чем одной аморфной фазы в метастабильном равновесии (т. Е. Нестареющей и некристаллизованной). Разные аморфные фазы должны различаться по своим свойствам. Кроме того, как и в случае отдельных кристаллических фаз, должны существовать межфазные границы стабильных или метастабильных фаз. Отметим, что фазовые границы между фазами с одинаковой симметрией могут заканчиваться КП. Обычно разная симметрия сосуществующих кристаллических фаз действительно является причиной того, что линии сосуществования кристалл – кристалл не заканчиваются КП.Однако КП может быть конечной точкой линии аморфно-аморфного сосуществования, поскольку аморфные фазы изотропны.

Маршруты подготовки.

В случае воды мы оперативно различаем три аморфных льда в соответствии с их плотностью: низко- (LDA), высоко- (HDA) и аморфный лед очень высокой плотности (VHDA). На рис. 2 схематически представлены общие пути, экспериментально использованные для приготовления образцов трех типов.

Рис. 2.

Маршруты приготовления аморфных льдов в лаборатории. A показывает пути, начинающиеся от пара или жидкой воды, B показывает пути, начинающиеся от гексагонального льда (лед Ih), а C показывает пути, в которых аморфная форма образуется, начиная с отдельного аморфного льда. Горизонтальные стрелки указывают пути изотермического сжатия / декомпрессии, а вертикальные стрелки указывают пути изобарического охлаждения / нагрева.

К LDA ведут три пути. Двумя из них являются конденсация газообразной воды без кристаллизации (70) и охлаждение жидкости без кристаллизации.Последняя процедура, называемая витрификацией, является стандартной процедурой производства стекла. Однако вода — плохой стеклообразователь, очень легко кристаллизующийся. Таким образом, требуется гиперкашение при> 106 K с ^-1 , чтобы избежать обнаруживаемой кристаллизации (71). Третий путь — через преобразование HDA (например, путем нагрева или декомпрессии HDA) (17, 72). После надлежащего отжига все три пути приводят к образцам с одинаковой плотностью, структурой и калориметрическими характеристиками, так что все они часто считаются одним и тем же стеклом, а именно LDA (8).Также для HDA возможны несколько различных способов приготовления, включая гашение эмульсий чистой воды под давлением (73) (здесь скорости охлаждения 103 K мин. ^-1 достаточны, чтобы избежать кристаллизации) и сжатие гексагонального льда при 77 K сверх низкого T метастабильное продолжение сосуществования жидкость – лед (16). В настоящее время этот материал называют неотожженным HDA (uHDA), чтобы подчеркнуть его нерелаксирующий характер, тогда как его расслабленный вариант называют расширенным HDA (eHDA) (72, 74). HDA также может быть получен из двух других аморфных льдов, а именно путем сжатия LDA или декомпрессии VHDA (рис.2 С ). VHDA может быть получен путем сжатия гексагонального льда при температуре примерно от 130 до 150 K (8) или путем нагревания льда Ih (75) или HDA при высоком P (76).

Структурные свойства.

В LDA каждая молекула воды окружена четырьмя следующими соседями (77), что соответствует структуре льда Ih (78). Это указывает на то, что LDA представляет собой полностью связанную идеальную случайную тетраэдрическую сеть. Колебательный характер LDA также напоминает характер высокоупорядоченных веществ, при этом отсутствует избыточная плотность состояний, характерная для большинства других стекол (6).В этом отношении LDA приближается к экспериментальной реализации идеального состояния стекла (6). HDA имеет структуру, существенно отличающуюся от LDA. При температуре окружающей среды P каждая молекула имеет в среднем четырех водородных партнеров, но пятая молекула переместилась к первой оболочке из-за сжатия второй оболочки (77). Это сжатие еще более резко при 2 ГПа, где общее координационное число достигает примерно девяти (79). Обратите внимание, что структурно uHDA и eHDA очень похожи.Однако они отличаются наличием большого количества (uHDA) или почти полного отсутствия (eHDA) нанокристаллических доменов, встроенных в аморфную матрицу (80). В структуре VHDA при окружающем P даже две молекулы из второй оболочки подталкиваются к первой оболочке (81). Следовательно, структуры HDA и VHDA значительно различаются при окружающем P и низком T. Однако при высоких давлениях структурные различия между VHDA и HDA становятся менее выраженными, поскольку VHDA гораздо менее сжимаем, чем HDA. Klotz et al. (79) утверждали, что структура HDA около 0.7 ГПа напоминает структуру VHDA при температуре окружающей среды.

Отметим, что переход от четырех линейных HBs в LDA к искаженным HBs, где одна (HDA) или две (VHDA) межузельные молекулы находятся между первой и второй координационная оболочка напоминает зависимость картины ГВ от давления в жидком состоянии.

Аморфно-аморфные переходы.

Возможность связать структуры LDA и HDA с двумя различными жидкостями, предсказанными сценарием LLCP, вызвала значительные экспериментальные усилия по изучению аморфных льдов, в частности, стабильности и отношений между различными неупорядоченными твердыми формами. Действительно, становится очень актуальным оценить, являются ли различные формы с высокой плотностью членами одного и того же семейства и являются ли формы с высокой и низкой плотностью термодинамически различными фазами (то есть являются ли стекла аналогами двух термодинамически различных жидкостей). При решении этих вопросов возникают указанные выше трудности, связанные с особенностями аморфного твердого тела. Для HDA сильная историческая зависимость была обнаружена для температуры превращения в LDA при окружающем P (82–84) и для Tx при более высоком P (80).Все это делает особенно важным тщательное определение маршрутов подготовки при сравнении различных экспериментов. Для должным образом релаксированного аморфного состояния температуры превращения достигают предельного значения.

HDA может быть преобразован в LDA путем нагревания при низкой P. Это преобразование сопровождается скачкообразным изменением плотности на ≈25%. При первом наблюдении это преобразование сразу же вызвало интерпретацию как переход первого рода (17), несмотря на неравновесный характер всего процесса. Этот изобарический переход необратим. Однако, если следовать изотермическому пути при достаточно высоком T, можно переключаться между HDA и LDA (рис. 2 C ). Переходы при сжатии LDA или при декомпрессии HDA очень резкие и появляются при разных P, то есть имеется гистерезис (18). Этот гистерезис прослеживается вплоть до кристаллизации при Tx (18) и подтверждает природу перехода, подобную первому порядку. Дальнейшее свидетельство прерывистой природы переходов LDA⇄ HDA было получено другими методами (83, 85).Более ранние эксперименты по рассеянию, утверждающие возможность непрерывного перехода от HDA к LDA (86), по-видимому, могут быть объяснены структурной релаксацией HDA, предшествующей переходу первого рода. Громницкая и др. (87) показали, что для хорошо релаксированных образцов начальная стадия релаксации отсутствует, что упрощает характер перехода (88). Таким образом, по нашему мнению, экспериментальные данные ясно говорят в пользу того, что LDA и HDA являются двумя отдельными аморфными фазами, переходящими через переход типа первого рода. Поскольку это переход твердое тело – твердое тело, на него, вероятно, влияет механическое напряжение, которое должно исчезнуть при переходе ЛПВП – ЛПОНП (89).

В то время как для экспериментов LDA и HDA наблюдается гистерезис, позволяющий приблизительно сопоставить бинодаль, для HDA и VHDA это пока не достигнуто. Бинодаль между HDA и VHDA, если она существует, очень трудно отследить. При низких T наблюдение превращения затруднено из-за медленной кинетики, а при более высоких T из-за небольшой разницы в плотности между HDA и VHDA.Несмотря на сложность, при 125 K наблюдалось относительно резкое изменение плотности, соответствующее превращению HDA → VHDA (90, 91). Это сопровождается внезапным изменением сжимаемости (92), спектров комбинационного рассеяния (92) и динамики релаксации (93). Однако и в этом случае важную роль играет история образца: было обнаружено, что резкость скачка плотности уменьшается с увеличением степени сжатия (90) или исчезает как при более низких T (90), так и при старте с отожженных образцов (91). Кроме того, утверждалось, что сжимаемость и спектры комбинационного рассеяния изменяются плавно (94).Переход VHDA → HDA также может наблюдаться при T≥125 K, но кинетически затруднен при более низких T (72, 95). Несмотря на то, что доказательства неоднозначны, мы поддерживаем интерпретацию непрерывного характера переходов HDA atVHDA при 125 К. Аналогичные выводы были сделаны из изобарических экспериментов (93, 96, 97). При одинаковой симметрии HDA и VHDA может существовать низколежащая CP, возможно, расположенная около 0,8 ГПа. В любом случае, подтверждение или опровержение этой гипотезы требует дальнейшей работы. Несмотря на эти открытые вопросы, можно утверждать, что HDA и VHDA ведут себя как отдельные материалы, если их исследовать при низких T.Отметим также, что в водном растворе LiCl переход HDA⇄ VHDA удовлетворяет всем критериям перехода первого рода (98). Однако в других исследованиях соленого HDA этот переход первого рода не был обнаружен (99, 100).

Фазовая диаграмма некристаллической воды.

В качестве руководства на рис. 3 показано поведение P – T LDA, HDA и VHDA. Мы уделяем особое внимание области их существования, то есть P – T-окну, в котором можно наблюдать эти стекла, ограниченному температурами кристаллизации Tx и полиаморфного перехода.В этом контексте мы также рассматриваем калориметрический переход стекло-жидкость, характеризующийся температурой его начала Tg.

Рис. 3.

P – T областей существования LDA ( A ), HDA ( B ) и VHDA ( C ), включая температуры кристаллизации (Tx) и полиаморфного перехода, а также температуру перехода стекло-жидкость (Tg). Линии Tx и полиаморфных переходов основаны на имеющихся экспериментальных данных, цитируемых в тексте. Линии Tg основаны на известных калориметрических данных (101, 102) в сочетании с ожидаемой зависимостью от давления, основанной на численных (103) и некалориметрических результатах (93, 104⇓ – 106).Обратите внимание на разницу в Tx и температуре полиаморфного перехода eHDA (черные линии в B ) и uHDA (белые линии в B ).

LDA (рис. 3 A ) существует при относительно низком P и переходит в HDA при более высоком P. Калориметрические данные показывают начало стеклования около 136 K при P (101) окружающей среды с последующей кристаллизацией. Это оставляет небольшое Т-окно, в котором ультравязкая жидкость могла бы существовать на нижней стороне нейтральной зоны. Численные результаты показывают, что Tg (LDA) должна уменьшаться с увеличением давления (103).В результате окно, в котором можно изучать ЛПНП, должно расширяться при увеличении P.

HDA (рис. 3 B ) преобразуется в VHDA при нагревании при высоких значениях P, и, следовательно, его калориметрические Tg и Tx могут быть должным образом охарактеризованы только при низкий P. При температуре окружающей среды HDA может быть нагрет до достаточно высокой температуры перед преобразованием в LDA (или LDL), так что можно наблюдать калориметрический стеклование около 116 K (101). Фактически это справедливо только для eHDA, но не для uHDA. Для некалориметрических экспериментов с HDA предполагается, что Tg (HDA) значительно увеличивается с давлением (107).Поскольку Tx увеличивается с одинаковой скоростью, T-окно, в котором HDL может быть доступен для экспериментов, остается примерно того же размера при изменении давления.

VHDA (рис. 3 C ) медленно преобразуется в HDA при низком давлении, и, следовательно, его калориметрические Tg и Tx могут быть должным образом охарактеризованы только при высоком P. При нагревании при высоком P данные калориметрии показывают начало стеклования около 140 К (102). При дальнейшем нагревании VHDA кристаллизуется почти до чистого льда XII (108). Некалориметрические эксперименты показывают (93, 105), что Tg (VHDA) примерно постоянна при повышении давления.Поскольку Tx увеличивает окно для возможного наблюдения метастабильной жидкости, увеличивается с давлением.

Связь между стеклами и переохлажденной водой.

Резкий переход между HDA и LDA при нагревании при низком P или декомпрессии при достаточно высоком T явно согласуется с возможностью того, что такой переход является выходящим из равновесия эхом истинной термодинамической кривой сосуществования между двумя (остановленными) жидкостями. разной плотности. Существование более одного стакана воды действительно резонирует с существованием более чем одной жидкой формы воды (41).Одним из важных предварительных условий существования двух различных жидкостей является то, что их времена релаксации должны быть явно короче, чем времена их превращения. Совсем недавно было показано, что действительно времена диэлектрической релаксации в HDA примерно на три порядка меньше, чем при полиаморфном превращении, и аналогично времена релаксации в LDA примерно на три порядка меньше, чем времена кристаллизации (109).

Наблюдение калориметрической температуры стеклования HDA (так называемого второго стеклования), явно отличной от температуры LDA, было интерпретировано как свидетельство того, что вода имеет две отдельные фазы выше ее температур стеклования (101).Эти фазы можно было бы идентифицировать как две отдельные ультравязкие жидкости, ЛПНП и ЛПВП. Это убедительное доказательство наличия двух различных метастабильных жидких форм, одна метастабильная только в отношении кристаллизации [связанная с Tg (LDA)], а другая метастабильная как в отношении кристаллизации, так и в отношении жидкой формы низкой плотности [связанной с Tg (eHDA)]. Доказательства в пользу двух жидких фаз также представлены в исх. 83. В ходе эксперимента eHDA разжимается при T = 140 K до 70 МПа.На этом пути образец сначала пересекает линию стеклования, где HDA превращается в сверхвязкий HDL. Затем он пересекает линию трансформации ЛПВП в ЛПНП (рис. 3 B ). При немедленной закалке до 77 К в точке превращения образец замораживается. Последующий визуальный осмотр и эксперименты по дифракции рентгеновских лучей при температуре окружающей среды P показывают, что образец представляет собой пространственно разделенные области LDA и HDA, что позволяет предположить, что преобразование из HDL в LDL было прервано тушением (83).Недавно проведенные статические и динамические рентгеновские эксперименты при атмосферном давлении выявили диффузный процесс коллективной релаксации как в LDA, так и в HDA выше температуры стеклования (88). Это предполагает ультравязкую жидкую природу ЛПНП и ЛПВП. Если это действительно так, то объемный переход первого рода ЛПВП → ЛПНП чуть ниже Tx при 70 МПа экспериментально наблюдался в [4]. 83.

Однако мы подчеркиваем, что даже несмотря на то, что интерпретация ранее представленных калориметрических данных с точки зрения перехода стекло-жидкость подтверждается несколькими исследованиями (93, 104–106, 110, 111), идентификация калориметрический стеклование с началом жидкой фазы все еще обсуждается.Некоторые исследователи считают, что увеличение теплоемкости указывает на размораживание ориентационного (в отличие от поступательного) движения (112, 113). В качестве альтернативы утверждалось, что повышение CP является эффектом суб-Tg (114) — гипотеза, которая не выдержала тщательного изучения LDA (115) и была отклонена (116). Однако он был возрожден и теперь обсуждается в случае HDA (117⇓ – 119). Кроме того, переход порядок – беспорядок (120) или присутствие примесей (121) цитировались как источник увеличения теплоемкости, но ни одно из этих объяснений не может объяснить полную феноменологию, например, зависящие от скорости сдвиги калориметрическое начало Tg.Хотя научные дебаты о правильной интерпретации продолжаются, мы не видим никаких строгих доказательств, исключающих интерпретацию перехода от стеклообразных твердых тел к ультравязким жидкостям.

Перспективы и выводы

По нашему мнению, три ключевых спорных вопроса будут определять дальнейшие исследования переохлажденной и стекловидной воды: ( i ) наличие или отсутствие LLCP в переохлажденной воде, ( ii ) количество различных аморфные формы воды и ( iii ) природа их стеклования.

Что касается и , мы предвидим серьезные усилия в направлении сокращения нейтральной зоны как от высоких, так и от низких температур, в попытке увеличить доступное окно. Скорее всего, в этой области будет достигнут некоторый прогресс благодаря применению экспериментов со скачками температуры в сочетании с методами сверхбыстрого зондирования. Это позволит проводить измерения объемных свойств в интервале времени между (метастабильным) уравновешиванием и кристаллизацией. Одним из инструментов, требующих высоких требований к инструментариям, могло бы стать сочетание техники гипергашения со сверхбыстрыми рентгеновскими или лазерными методами, чтобы капля воды могла быть исследована в микросекундном масштабе времени, пока она охлаждается от комнатной температуры до 77 К.Обнаружение экстремумов в функциях отклика, особенно в изотермической сжимаемости, было бы очень полезным, поскольку оно могло бы сигнализировать о пересечении линии Уидома. Большие усилия, возможно, будут посвящены экспериментам по быстрому тушению при высоком P, чтобы исследовать область, где ожидается LLCP и связанная спинодали HDL-LDL. Скачок T может быть либо импульсом нагрева для аморфного льда, либо импульсом охлаждения для стабильной воды под давлением. Для импульсов нагрева усовершенствованные процедуры отжига для получения более стабильной HDA, разработанные за последние несколько лет, будут способствовать достижению ультравязкого (метастабильного) жидкого состояния в промежутке между стеклованием и температурой кристаллизации.Мы также ожидаем усилий в направлении проведения такого рода сложных исследований при отрицательных давлениях.

С теоретической точки зрения мы не можем не упомянуть, что весьма неудовлетворительно, что довольно похожие модели воды, по-видимому, предсказывают различное поведение в переохлажденных состояниях. Хотя было заявлено, что некоторые из них действительно демонстрируют LLCP, справедливо заявить, что до сегодняшнего дня кристально ясные доказательства перехода LL были предоставлены только для водного потенциала ST2. Недавние методы, посвященные исследованию воды ST2 (43), несомненно, будут применены к другим моделям.Мы действительно ожидаем, что эти более сложные исследования прояснят, при каких условиях модельный потенциал показывает или не показывает (44, 48, 122) LLCP и как присутствие LLCP влияет на феноменологию неупорядоченных твердых фаз (123). Мы также ожидаем, что будущие исследования будут сосредоточены на том, как параметры модели влияют на термодинамические сценарии, барьеры для кристаллизации и способность модели к стеклообразованию. Имеются свидетельства того, что небольшие вариации параметров модели могут преобразовать LLCP в реентерабельный спинодальный сценарий, а также из LLCP в сценарий без сингулярностей (48, 122).Также недавно было продемонстрировано (44), что движущая сила кристаллизации сильно зависит от гибкости связи и от мягкости межчастичного отталкивания (величина, контролирующая способность взаимопроникновения). Конечной целью будет однозначно квантово-механическое численное исследование переохлажденной воды из первых принципов. Шаги в этом направлении уже сделаны. Имитационные исследования моделей с и без LLCP также могут быть использованы для оценки того, как присутствие LLCP влияет на феноменологию неупорядоченных твердых фаз (123).Отметим, что интересные предложения по различным термодинамическим сценариям также могут быть получены при исследовании коллоидных частиц с направленными взаимодействиями (124–126).

Относительно ii необходимо уточнить, являются ли LDA, HDA и VHDA одной и той же фазой, различающейся только своим состоянием релаксации, или они формально разделены термодинамическими переходами. В то время как большинство результатов указывают на переход первого рода между LDA и HDA, гораздо менее четкие доказательства были представлены для перехода HDA – VHDA.Природу последнего перехода можно прояснить с помощью современных технологий. Нужны очень долгие и медленные эксперименты, требующие большого количества времени и терпения. Кроме того, существует необходимость охарактеризовать стекло (стекла), полученное (ые) закалкой жидкой воды при (нескольких) высоких давлениях, начиная от 100 МПа. Настоящие данные ограничены исследованием Мисимы при 500 МПа (73). Действительно, несмотря на то, что LDA возникает в результате гипертекла при атмосферном давлении, нет единого мнения о материалах, полученных закалкой при высоких P.Исследования с использованием моделирования показывают, что неупорядоченным стеклом, наиболее близким к жидкости с высокой плотностью, является форма VHDA (127).

Что касается iii , кажется очевидным, что интерпретации калориметрических переходов стеклования аморфных льдов по-прежнему будет уделяться особое внимание. Действительно, при гипотезе о том, что LDA и HDA являются стеклянными заменителями ЛПНП и ЛПВП, свидетельства двух различных ультравязких фаз могут подтвердить сценарий LLCP. Сегодня нет четкого консенсуса относительно происхождения калориметрического сигнала, связанного с формой с низкой плотностью выше 136 К (первое стеклование воды) и аналогичным образом с формой с высокой плотностью выше 116 К (второе стеклование).Разъяснение этого момента весьма актуально: если калориметрический сигнал может быть эффективно связан с переходом стекло-жидкость, то опубликованные свидетельства двух различных Tg при окружающем P для LDA и HDA (101) предоставят неоспоримые доказательства двух различных ультравязкие жидкие фазы. Это дало бы возможность исследовать метастабильные ЛПНП и дважды метастабильные ультравязкие ЛПВП при комнатной температуре. Мы не можем не заметить, что большинство калориметрических исследований проводилось при атмосферном давлении.Было бы весьма желательно провести калориметрические исследования при более высоком давлении, в области, в которой HDA и VHDA более стабильны. Такие инструменты, коммерчески недоступные, были бы очень ценными, поскольку ожидается [на основе объемных исследований (93, 106)], что также при высоком P должно существовать ультравязкое жидкое состояние.

Для разрешения конфликта по поводу двух противоположных интерпретаций калориметрического стеклования (ориентационное стекло против ультравязкой жидкости) потребуются новые эксперименты и новые концепции.Сюда могут входить исследования диффузии молекул индикаторов, а также механическое зондирование жидкости, например реологические исследования образца при 140 К сразу после стеклования и непосредственно перед его кристаллизацией. Такие исследования или исследования, основанные на экспериментальных методах, недавно использованных для количественной оценки диффузии в ультравязкой воде (128, 129), будут наиболее полезны для интерпретации увеличения CP, наблюдаемого как для HDA, так и для LDA при их двух различных Tgs. Те же эксперименты говорят в пользу ультравязкой природы жидкости, по крайней мере, для LDA выше ее Tg (128, 129).

Безусловно, новые данные с экспериментальной и теоретической сторон крайне необходимы, чтобы очистить туман и приблизиться к конечной цели понимания воды. Исходя из предыдущей истории, весьма вероятно, что диаметрально противоположные точки зрения сохранятся и, конкурируя, продвинут эту область вперед.

Благодарности

T.L. и Ф.С. благодарим всех студентов и сотрудников, с которыми они изучали эту увлекательную тему. T.L. особенно благодарен Р. Бёмеру (Технический университет Дортмунда), Д.T. Bowron (ISIS) и N. Giovambattista (Городской университет Нью-Йорка) за их долгосрочное сотрудничество по этому вопросу. Мы также благодарим Л. Ровигатти и Дж. Руссо за полезные комментарии к рукописи. Эта работа была поддержана Австрийским научным фондом Schrödinger Fellowship J3811 N34 (для PHH), START-Preis Y391 и двусторонним проектом I1392 (TL), Стартовым грантом Европейского исследовательского совета SULIWA (для TL), Австрийской академией наук (несколько проектов DOC). для сотрудников TL) и ETN-COLLDENSE Grant 642774 (для F.С.).

Сноски

• Вклад авторов: P.H.H., T.L. и F.S. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Переохлаждение — Веб-сайт

Переохлаждение — это процесс охлаждения жидкости или газа ниже точки замерзания без превращения в твердое тело. (см. также Википедию).

Переохлаждение во время фазового перехода жидкость-твердая фаза — это явление, когда начало кристаллизации материала происходит при температуре ниже его температуры замерзания.То есть зародышеобразование начинается при температуре ниже реальной точки замерзания материала. Таким образом, материал, который имеет тенденцию к переохлаждению, должен быть охлажден значительно ниже его ожидаемой точки замерзания, чтобы вызвать замерзание. Как только начинается его зарождение, температура материала повышается до его реальной точки замерзания, а затем продолжает замерзать при этой температуре.

Если переохлаждение значительное, это невыгодно для PCM, так как отрицательно влияет на функциональность системы TES.Это потому, что замораживание начинается не при ожидаемой температуре замерзания, а только намного ниже, с практическим требованием большого диапазона рабочих температур. Кроме того, чем выше степень переохлаждения, тем меньше выделяется энергии (поскольку она выделяется в виде явного тепла, которое меньше ожидаемого выделения скрытого тепла).

Многие материалы подвергаются переохлаждению. Переохлаждение связано с механизмами зародышеобразования и затвердевания материала. На степень его переохлаждения, помимо других факторов, влияют размер образца, однородность, скорость охлаждения и морфология поверхности контейнера для образца (влияющая на доступность центров зародышеобразования).Чистый (то есть одинарный) материал, который подвергается переохлаждению, поднимется до своей реальной температуры замерзания, а затем замерзнет в узком температурном диапазоне (в идеале: при постоянной температуре).

На рис. 1 приведен пример чистого материала: додекана n- (чистота: 99%), который переохлаждается. На рисунке 1 (а) область переохлаждения обведена красным кружком. Когда температура составляет -12,42 ° C, начинается зародышеобразование. Сразу после этого температура снова поднимается до реальной точки замерзания около -10.6 ° C и остается довольно постоянной около этой температуры до завершения замерзания. Переохлаждение также характеризуется профилями энтальпии и теплоемкости n -додекана, как показано на фиг. 1 (b) и (c) соответственно, с указанием температуры начала кристаллизации и реальной температуры замерзания (начальной).

Смеси также могут подвергаться переохлаждению. Переохлаждение смесей вызовет разделение фаз, если они являются неконгруэнтными плавящимися композициями. Только конгруэнтные плавящиеся композиции не разделятся на фазы даже при переохлаждении.

Перитектические соединения (они представляют собой тип неконгруэнтных плавящихся составов) по своей природе переохлаждены, поскольку их отверждение происходит из-за образования керна. Сердцевина — это процесс, при котором каждый затвердевающий блок образует ядро ​​с более высокой температурой плавления, окруженное внешними слоями с более низкой температурой плавления. Чтобы инициировать образование ядра, материал следует охладить ниже его реальной точки замерзания. Поскольку перитектики всегда будут переохлаждаться, они всегда будут разделяться по фазам, и поэтому не подходят в качестве PCM.

Если эвтектика переохлаждена, она также будет иметь фазовое разделение. Это потому, что эвтектика не является конгруэнтной плавящейся смесью. Поэтому эвтектики подходят в качестве ПКМ только при отсутствии переохлаждения. Это связано с тем, что эвтектическое затвердевание (всех задействованных компонентов) происходит одновременно (если переохлаждение отсутствует), так что их общий состав совпадает с составом жидкости. Следовательно, если есть эвтектика, которая не подвергается переохлаждению, она замерзает подобно конгруэнтному плавящемуся составу и, таким образом, подходит в качестве ПКМ.

Как определяется переохлаждение:

Для очень чистых и однородных веществ переохлаждение определяется разницей между начальной температурой плавления и температурой зародышеобразования. Здесь следует отметить, что зародышеобразование — это случайный процесс, который, в отличие от точки плавления, зависит от условий измерения (например, скорости охлаждения, объема образца и т. Д.). Следовательно, измеренное значение относится к этим настройкам.

Это определение не применимо к PCM, которые не показывают температуру зародышеобразования, например к смесям парафинов.Эти материалы показывают нечеткую температуру зародышеобразования, поведение больше похоже на гистерезис. На рисунках 2 — 4 показаны различные подходы к определению величины переохлаждения RT27. Контрольными точками являются: пик-пик, смещение-смещение и начальная температура.

Пик-пик (рисунок 3) и смещение-смещение (рисунок 4) очень сильно зависят от скорости нагрева, массы образца и устройства DSC. Следовательно, эти различия сравнимы в пределах одного и того же ДСК, только если использовалась одинаковая скорость нагрева и примерно одинаковая тепловая масса.Поскольку разница между температурой начала пика плавления и пика кристаллизации может быть отрицательной, это не показатель степени переохлаждения.

Проблема со смесями или другими неоднородными материалами заключается в том, что они плавятся и кристаллизуются.