التجميد والتكسير

تصبح المواد الصلبة المرنة أقل مرونةً كلما انخفضت درجة حرارتها، مما يُسهّل تكسّرها. على سبيل المثال، تكون الخراطيم البلاستيكية مرنة في الأيام الحارة، وأقل مرونةً وعرضةً للتشقق في الأيام الباردة. يجب أن يُراعي تخزين المواد الحساسة، مثل منتجات الدم، في أكياس بلاستيكية تأثير التجمّد على الدم، بالإضافة إلى تغيّر مرونة أكياس التخزين نفسها. ^{[ 8 ]} في حين أن العديد من البوليمرات الاصطناعية والطبيعية تفقد مرونتها تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة، إلا أنها لا تتبلور عادةً، إلا إذا كانت تحتوي أيضًا على سائل حر، مثل الماء في النباتات والتربة أو الملدنات في البلاستيك.

تصبح السوائل التي تنخفض درجة حرارتها صلبة بما يكفي لتتكسر. ووفرة الماء على الأرض، وخاصة في الكائنات الحية والتربة، تعني أن الماء المتجمد غالبًا ما يوفر الصلابة اللازمة لتكسر جسم أقل هشاشة؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تكوّن بلورات الجليد داخل الجسم إلى إلحاق ضرر كبير ببنيته الداخلية. كما أن التغيرات في المزيج الإيوتكتيكي حول البلورات المتكونة مهمة أيضًا؛ وفي حالة تبريد اللحام ، يُعد هذا الأمر مفيدًا. ^{[ 3 ]} يمكن أن يحدث التكسر بالتجميد كجزء من عملية التجميد، خاصة مع السوائل التي تتمدد أثناء تبلورها، مثل الماء. ويُطلق على هذا النوع من التكسر اسم التكسر الأولي . ^{[ 5 ]}

للحد من أضرار التبلور، تُستخدم عادةً مواد حافظة للتجميد (التي تقلل من تلف بلورات الثلج )، ولكنها قد تكون سامة للخلايا الحية بالتركيزات المطلوبة. ^{[ 9 ]} بالنسبة للأجسام الصغيرة، يمكن أن يكون تجميد السوائل سريعًا بما يكفي لحدوث تبلور محدود أو معدوم. في حالة الماء، يؤدي التجميد السريع جدًا إلى تكوين جليد زجاجي غير متبلور بدلًا من الجليد المتبلور، مما ينتج عنه عدم وجود أي ضرر ملحوظ. ^{[ 10 ]}

قد يبدو الأمر غير بديهي، لكن المواد الصلبة تتغير أيضًا إلى حالات مختلفة عند تجميدها. يمكن القول إنها تصبح "أكثر صلابة". على سبيل المثال، يصبح الحديد بأشكاله المختلفة أكثر هشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة. تُظهر الفولاذات هشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة، حيث تتراوح درجة حرارة التحول من الكسر المطيل إلى الكسر الهش (TTDB) من حوالي -100  درجة مئوية إلى حوالي +100  درجة مئوية، وذلك تبعًا لتركيب السبيكة وعملية التصنيع. ومع تغير المواد الصلبة بتغير درجة الحرارة، تتغير أيضًا طريقة انكسارها. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تتجمد الغازات المبردة بدرجة كافية لتتشقق، كما هو الحال مع ثاني أكسيد الكربون الصلب (الجليد الجاف). ولأن الغازات تفتقر إلى بنية محددة في الظروف العادية، فلا توجد حاليًا دراسات حول بنيتها في الحالة الصلبة باستخدام تقنية التجميد والتشقق. وقد تتزايد الدراسات حول الأجرام السماوية ذات درجات حرارة سطحية منخفضة بما يكفي لتجميد العناصر الموجودة على الأرض في الحالة الغازية. حاليًا، تُجرى الدراسات فقط على البنى غير المتشققة، مثل ثاني أكسيد الكربون الصلب على سطح القمر، أو الميثان والنيتروجين الصلبين على سطح بلوتو. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

يتطلب تقسيم مادة إلى قطعتين تعريضها لإجهاد كافٍ لكسرها. ويحدد مقدار الإجهاد المُطبق على الجسم قبل كسره مقدار الطاقة المتاحة لحدوث هذا الكسر. يؤدي الإجهاد المفرط إلى كسور متعددة شبه متزامنة، كما هو الحال عند تحطيم لوح زجاجي بمطرقة. أما الإجهاد الكافي، وليس المفرط، فيؤدي عادةً إلى كسر واحد. حتى مع وجود كسر واحد، فإن أي زيادة طفيفة في الإجهاد ستؤدي إلى كسر ينتشر بسرعة أكبر مع طاقة أكبر ودرجات حرارة أعلى عند سطح الكسر. يمكن أن تؤدي الطاقة العالية أيضًا إلى تشوهات تُسمى التشوه اللدن ، أو حتى إلى كسور ثانوية دقيقة تكسر أجزاءً من سطح الكسر الرئيسي. إذا كان الإجهاد أقل تركيزًا، فسيتعرض حجم أكبر للإجهاد، مما يؤدي إلى انتشار أبطأ للكسر مع درجات حرارة أقل عند سطح الكسر. عادةً ما تُطلق القوة الزائدة عن تلك المطلوبة لتكوين مستوى كسر واحد كمزيج من التسخين الكبير والتشوه اللدن والكسر الثانوي. ^{[ 16 ]}

بعد أن تبرد العينة بدرجة كافية لتتشقق، غالباً ما يتم تبريدها أكثر. يؤدي إجهاد العينة وتشققها إلى توليد حرارة كبيرة، تكفي بسهولة لإذابة العينة مرة أخرى إذا لم تكن درجة الحرارة أقل بكثير من نقطة الانصهار . ^{[ 17 ]}

لأغراض عملية، تحتوي معظم الأجهزة المصنعة على " درجة حرارة تشغيل ". وغالبًا ما ترتبط هذه الدرجة بالهشاشة الناتجة عن انخفاض درجات الحرارة، مما يزيد من احتمالية حدوث كسر مسبق أو كسر فعلي. ^{[ 1 ]}

فُولاَذ

يخضع الحديد وسبائكه المختلفة، بما في ذلك الفولاذ، لتغيرات في مقاومته للكسر مع تغير درجة الحرارة. قد تحدث هذه التغيرات عند درجات حرارة مرتفعة أثناء تصلب الفولاذ خلال عملية التصنيع، وكذلك عند درجات حرارة منخفضة تقل عن 100  درجة مئوية، بما في ذلك درجات حرارة أقل من درجة تجمد الماء عند 0  درجة مئوية. ولهذا الأمر آثارٌ على تصميم وبناء المنشآت الهندسية المدنية الفولاذية ، مثل الجسور والمباني والأنابيب. ^{[ 11 ]}

المواد المركبة

يمكن أن تؤدي دورات التجمد والذوبان إلى إضعاف المواد المركبة . ^{[ 18 ]} ويمكن دراسة تأثيرات تجمد الماء داخل المواد المركبة والتنبؤ بها باستخدام النماذج. ^{[ 19 ]} الخرسانة مادة مركبة شائعة الاستخدام، وهي عرضة للكسر الناتج عن التجمد. ^{[ 20 ]}

يُستخدم المجهر بالتجميد والكسر على نطاق واسع في علم الأحياء لدراسة الخلايا والبروتينات البيولوجية بالتفصيل، دون الحاجة إلى التثبيت الكيميائي أو التضمين في البلاستيك أو الشمع أو التلوين الكيميائي قبل التقطيع. ^{[ 1 ]}

أُجريت أول عملية تصوير منهجية موثقة لسطح مجمد ومتشقق لدراسة بنية سطح الكسر نفسه في منتصف خمسينيات القرن العشرين. كان راسل ل. ستير ^{[ 22 ]} يراقب جزيئات الفيروس، وانتابه القلق من أن تقنيات التحضير التقليدية للمجهر الإلكتروني ، والتي تشمل التجفيف، قد تُغير بنية الفيروس. ورغم أن تجميد العينة كان سيُحدث تغييرات أيضًا، إلا أنه فكر في تجربتها. تم إنشاء "سطح مستوٍ" على المادة المجمدة باستخدام سكين. ونظرًا للظروف المطلوبة للمجهر الإلكتروني النافذ المستخدم آنذاك، لم يكن من الممكن رؤية الفيروس نفسه مُجمدًا ومتشققًا بسرعة بشكل مباشر. بدلًا من ذلك، صنع ستير نسخة طبق الأصل من سطح الكسر مصنوعة من الكروم المقوى بالكربون، استنادًا إلى إجراء ابتكره آخرون. ^{[ 23 ]} تغلب ستير على مشكلة تكوّن بلورات الجليد على الفيروسات المتشققة عن طريق حفرها قبل صنع النسخة للعرض، كما فعل آخرون. ^{[ 24 ]} تضيف خطوة الحفر الإضافية اختلافات إضافية إلى مظهر السطح المكسور الأصلي ولكنها ضرورية لإزالة المكثفات من السطح.

تسويق التجميد والتكسير البيولوجي

بعد أن وضع مور مبادئ تصوير سطح مُجمد ومكسور للمجهر الإلكتروني، قام بأتمتة وتسويق طريقة "التجميد-الكسر-الحفر-النسخ" في عام 1961، وأطلق عليها اسم "طريقة ستير للتجميد والحفر". وانطلاقاً من اعتقاده بضرورة استخدام سكين حاد لتحقيق كسر مُتحكم به، استخدم مور ميكروتوم في غرفة مفرغة من الهواء لكسر العينات. ^{[ 25 ]}

لاحقًا، تم تطوير بدائل غير تجارية أرخص بكثير لا تعتمد على الميكروتوم أو التخريش لتنظيف سطح الكسر. وبفضل الحماية الكافية من التلوث في الفراغ اللازم للتكرار، لم يعد التخريش ضروريًا لتنظيف سطح الكسر. عُرفت هذه التقنية ببساطة باسم "تكرار التجميد والكسر" (بوليفانت وأميس). ^{[ 26 ]} اعتمدت هذه الطريقة على تعديل آلات الطلاء القياسية المستخدمة بشكل روتيني في مختبرات المجهر الإلكتروني، باستخدام مجموعة ميكانو في البداية . بالنسبة لمختبرات المجهر الإلكتروني الصغيرة، كانت هذه التقنية أسهل من استخدام جهاز تجاري كبير ومتخصص لتكرار التجميد والكسر بالتخريش. كما سمحت هذه الطريقة بتنوع أكبر في طريقة كسر العينات. ^{[ 17 ]}

النظر داخل الأغشية

خلال الفترة من الستينيات إلى الثمانينيات، تبين أن الطبقة الدهنية الثنائية للخلية تنقسم إلى نصفين، مما يكشف عن الجزء الداخلي عند كسرها في ظل ظروف مناسبة. ^{[ 27 ]}

كانت تقنية التجميد والكسر الطريقة الوحيدة التي توفر رؤية مستوية للجزء الداخلي للغشاء، لذا كان من الضروري بذل جهد لتحديد أي جوانب صورة الجزء الداخلي للغشاء أصلية بيولوجيًا وأيها ناتجة عن عمليات التجميد والكسر والنسخ. وقد قدمت تقنيات إضافية للتجميد والكسر تفسيرات كافية لسبب عدم تطابق نصفي الكسر دائمًا، ولماذا يمر مستوى الكسر أحيانًا فقط بين طبقتي الدهون. ^{[ 17 ]} وبحلول عام 1989، ساعد تعديل إضافي لتقنية التجميد والكسر الأساسية، يُسمى التلوين المناعي للنسخ بالتجميد والكسر (FRIL)، في تحديد "النتوءات" في الغشاء على أنها جزيئات بروتينية داخل الغشاء. ^{[ 28 ]}