Vitrifiering

Ett vitrifieringsexperiment för studier av slutförvaring av kärnavfall vid Pacific Northwest National Labs.

Vitrifikation är en process där ett material omvandlas till ett glasliknande amorft fast ämne som är fritt från kristallin struktur, antingen genom att snabbt avlägsna eller tillsätta värme eller genom att blanda med en tillsats. Solidifieringen av ett glasartat fast ämne sker vid glasövergångstemperaturen (som är lägre än smälttemperaturen, Tm, på grund av underkylning).

När utgångsmaterialet är fast innebär vitrifiering vanligen att ämnena värms upp till mycket höga temperaturer. Många keramiska material framställs på ett sådant sätt. Vitrifiering kan också ske naturligt när blixten slår ner i sand, där den extrema och omedelbara värmen kan skapa ihåliga, förgrenade rotliknande strukturer av glas, så kallad fulgurit. När det tillämpas på vitgodskeramik innebär vitrifikation att materialet har en extremt låg genomsläpplighet för vätskor, ofta men inte alltid vatten, när det bestäms genom en specificerad testregim. Mikrostrukturen i vitgodskeramik innehåller ofta både amorfa och kristallina faser.

Exempel

När sackaros kyls långsamt blir resultatet kristallsocker (eller bergsocker), men när det kyls snabbt kan resultatet bli i form av sirapsliknande sockervadd (candyfloss). Vitrifiering kan också ske när man utgår från en vätska, t.ex. vatten, vanligen genom mycket snabb nedkylning eller genom tillförsel av medel som undertrycker bildningen av iskristaller. Tillsatser som används inom kryobiologin eller som produceras naturligt av organismer som lever i polarområden kallas kryoskyddsmedel. Arktiska grodor och vissa andra ektotermer producerar naturligt glycerol eller glukos i sin lever för att minska isbildning. När glukos används som kryoskyddsmedel av arktiska grodor frigörs enorma mängder glukos vid låg temperatur, och en särskild form av insulin gör det möjligt för denna extra glukos att komma in i cellerna. När grodan åter värms upp under våren måste den extra glukosen snabbt avlägsnas från cellerna och återvinnas via njurarnas utsöndring och lagring i blåsan. Arktiska insekter använder också sockerarter som kryoskyddsmedel. Arktiska fiskar använder frostskyddsproteiner, som ibland är försedda med sockerarter, som kryoskyddsmedel.

Användningar

Ordinärt sodakalkglas, som används i fönster och porslin, framställs genom tillsats av natriumkarbonat och kalk (kalciumoxid) till kiseldioxid. Utan dessa tillsatser kommer kiseldioxid (vid långsam nedkylning) att bilda sand eller kvartskristall, inte glas.

Vitrifiering är en beprövad teknik vid bortskaffande och långtidsförvaring av kärnavfall eller annat farligt avfall. Avfallet blandas med glasbildande kemikalier för att bilda smält glas som sedan stelnar och immobiliserar avfallet. Den slutliga avfallsformen liknar obsidian och är ett icke-blekande, hållbart material som effektivt innesluter avfallet. Avfallet kan lagras under relativt långa perioder i denna form utan oro för förorening av luft eller grundvatten. Vid bulkförglasning används elektroder för att smälta jord och avfall där de ligger nedgrävda. Det härdade avfallet kan sedan grävas upp med mindre risk för utbredd förorening. Enligt Pacific Northwest National Labs ”låser vitrifiering in farliga material i en stabil glasform som håller i tusentals år.”

Etylenglykol används som frostskydd för bilar och propylenglykol har använts för att minska iskristaller i glass, vilket gör den jämnare.

I åratal har glycerol använts inom kryobiologin som kryobeskydd för blodkroppar och spermier från tjurar, vilket gör det möjligt att förvara dem vid temperaturer av flytande kväve. Glycerol kan dock inte användas för att skydda hela organ från skador. I stället forskar många bioteknikföretag för närvarande om utvecklingen av andra kryoskyddsmedel som är mer lämpade för sådana användningsområden. En framgångsrik upptäckt kan så småningom möjliggöra kryogen lagring (eller ”banking”) av transplanterbara mänskliga och xenobiotiska organ i stor skala. Ett viktigt steg i den riktningen har redan tagits. Vid den årliga konferensen i juli 2005 för Society for Cryobiology tillkännagav Twenty-First Century Medicine att en kaninnjure vitrifierats till -135 °C med deras egen vitrifieringscocktail. Vid återuppvärmningen transplanterades njuren framgångsrikt till en kanin, med fullständig funktionalitet och livskraft.

I samband med kryonik, särskilt när det gäller bevarande av den mänskliga hjärnan, anses vitrifiering av vävnad vara nödvändig för att förhindra förstörelse av vävnaden eller den information som är kodad i hjärnan. För närvarande har Alcor endast tillämpat vitrifieringsteknik på hjärnor (neurovitrifiering) och Cryonics Institute på överkroppen, men båda organisationerna bedriver forskning för att tillämpa vitrifiering på hela kroppen.

Se även

• Amorft fast ämne
• Kryogenik
• Glas
• Radioaktivt sönderfall

Notiser

• Ashle, Steven. Juni 2002. Dela och vitrifiera. Scientific American.
• Lovgren, Stefan. Mars 2005. Kroppar frysta för framtida återfödelse av Arizona Company. National Geographic.
• Vitrifiering: Putting the Heat on Waste.

Alla länkar hämtade 9 maj 2020.

• Vitrifiering i kryonik
• Vätskebrukbarhet och glasövergång i vatten och vattenlösningar