Кристаллизация газонасыщенных слоев аморфного льда с зародышевыми кристаллами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Экспериментально исследована самопроизвольная кристаллизация газонасыщенных слоев аморфного льда, полученных низкотемпературной конденсацией сверхзвуковых потоков разреженного пара и этана при их различной ориентации относительно охлаждаемой подложки. Присутствие в неравновесной среде кристаллических зародышей, образованных в сверхзвуковом потоке пара, обеспечивает условия для инициирования «горячих» центров и переход к спонтанной кристаллизации газонасыщенного слоя с образованием газового гидрата. Полученные образцы содержали высокую концентрацию газа, значительно превышающую его концентрацию для гидрата этана в равновесном состоянии. Высокая газонасыщенность указывает на присутствие молекул газа в пористой среде конденсата в свободном состоянии.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. З. Файзуллин

Институт теплофизики УрО РАН

Author for correspondence.
Email: faizullin@itp.uran.ru
Russian Federation, Екатеринбург

А. В. Виноградов

Институт теплофизики УрО РАН

Email: faizullin@itp.uran.ru
Russian Federation, Екатеринбург

А. С. Томин

Институт теплофизики УрО РАН

Email: faizullin@itp.uran.ru
Russian Federation, Екатеринбург

В. П. Коверда

Институт теплофизики УрО РАН

Email: faizullin@itp.uran.ru
Russian Federation, Екатеринбург

В. М. Брюханов

Институт теплофизики УрО РАН

Email: faizullin@itp.uran.ru
Russian Federation, Екатеринбург

References

  1. Mishima O. Reversible First-order Transition between Two H2O Amorphs at ~0.2 GPa and ~135 K // J. Chem. Phys. 1994. V. 100. № 8. P. 5910.
  2. Loerting T., Salzmann C., Kohl I., Mayer E., Hallbrucker A. A Second Distinct Structural “State” of High-density Amorphous Ice at 77 K and 1 bar // Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. № 3. P. 5355.
  3. Loerting T., Winkel K., Seidl M., Bauer M., Mitterdorfer C., Handle P.H., Salzmann C.G., Mayer E., Finneyd J.L., Bowron D.T. How Many Amorphous Ices Are There? // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. № 13. P. 8783.
  4. Tonauer C.M., Fidler L.-R., Giebelmann J., Yamashita K., Loerting T. Nucleation and Growth of Crystalline Ices from Amorphous Ices // J. Chem. Phys. 2023. V. 158. 141001.
  5. Stevenson K.P., Kimmel G.A., Dohnalek Z., Scott Smith R., Kay B.D. Controlling the Morphology of Amorphous Solid Water // Science. 1999. V. 283. P. 1505.
  6. Kimmel G.A., Stevenson K.P., Dohnalek Z., Scott Smith R., Kay B.D. Control of Amorphous Solid Water Morphology Using Molecular Beams. I. Experimental Results // J. Chem. Phys. 2001. V. 114. № 12. P. 5284.
  7. Faizullin M.Z., Vinogradov A.V., Tomin A.S., Koverda V.P. Nonstationary Nucleation (Explosive Crystallization) in Layers of Amorphous Ice Prepared by Low-temperature Condensation of Supersonic Molecular Beams // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 108. P. 1292.
  8. Файзуллин М.З., Виноградов А.В., Томин А.С., Коверда В.П. Исследование процессов конденсации и кристаллизации при образовании газовых гидратов в сверхзвуковых струях // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 769.
  9. Faizullin M.Z., Vinogradov A.V., Koverda V.P. Hydrate Formation in Layers of Gas-saturated Amorphous Ice // Chem. Eng. Sci. 2015. V. 130. P. 135.
  10. Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2007. 752 p.
  11. Kvendolden K. Gas Hydrates–Geological Perspective and Global Change // Rev. Geophys. 1993. V. 31. № 2. P. 173.
  12. Hag B.U. Gas Hydrates: Greenhouse Nightmare? Energy Panacea or Pipe Dream? // GSA Today. 1998. V. 8. № 11. P. 1.
  13. Чернов А.А. Процессы кристаллизации. В кн.: Современная кристаллография. Т. 3. М.: Наука, 1980. С. 162.
  14. Suga H., Seki S. Thermodynamic Investigation on Glassy States of Pure Simple Compounds // J. Non-Cryst. Solids. 1974. V. 16. № 2. P. 171.
  15. Ghormley J.A. Enthalpy Changes and Heat-capacity Changes in the Transformations from High-surface-area Amorphous Ice to Stable Hexagonal Ice // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. № 7. P. 503.
  16. Файзуллин М.З., Виноградов А.В., Коверда В.П. Свойства газовых гидратов, полученных неравновесной конденсацией молекулярных пучков // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 852.
  17. Uhlmann D.R. A Kinetic Treatment of Glass Formation // J. Non-Cryst. Solids. 1972. V. 7. № 2. P. 337.
  18. Faizullin M.Z., Skokov V.N., Koverda V.P. Glass Transition and Crystallization of Water and Aqueous Solutions of Organic Liquids // J. Non-Cryst. Solids. 2010. V. 356. № 23–24. P. 1153.
  19. Torchet G., Schwartz J., Farges J., de Feraudy M.F., Raoult B. Structure of Solid Water Formed in a Free Jet Expansion // J. Chem. Phys. 1983. V. 79. № 12. P. 6196.
  20. Yakushev V.S., Istomin V.A. Gas Hydrate Self-preservation Effect. In: Physics and Chemistry of Ice / Eds. Maeno N., Hondoh T. Sapporo: Hokkaido Univ. Press, 1992. P. 136.
  21. Stern L.A., Circone S., Kirby S.H., Durham W.B. Ano-malous Preservation of Pure Methane Hydrate at 1 atm // J. Phys. Chem. B. 2021. V. 105. P. 1756.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of deposition of gas-saturated samples: 1 – copper substrate; 2 – liquid nitrogen; 3, 4 – capillaries for vapor and gas flows; 5 – measuring cell; 6 – sample; α, β – angles of deviation of vapor and gas flows from the normal to the substrate.

Download (11KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Behavior of DTA thermograms during heating of ethane-saturated amorphous ice condensates formed by deposition of vapor and gas flows without the use of a supersonic nozzle (1) and during supersonic deposition (2); dashed curves – repeated cooling–heating cycle.

Download (15KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Behavior of the tangent of the angle of the dielectric loss curves tgδ of amorphous ice layers saturated with ethane at different deposition angles of vapor and gas flows and a mass fraction of gas during deposition ω = 18%: 1 – α = β = 0°, 2 – 30°, 3 – 45°, 4 – 60°.

Download (14KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Behavior of tgδ of amorphous ice layers saturated with ethane at α = β = 60° and different gas contents: 1 – ω = 0%, 2 – 7%, 3 – 18%, 4 – 36%, 5 – 54%.

Download (15KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences