Потенциал такого материала, как дерево, очень велик. Однако, современное материаловедение уделяет ему совсем немного внимания. Исследователи из Университета Мэриленда нашли еще одно доказательство того, что древесиной нельзя пренебрегать. В ходе экспериментов они разработали особую процедуру обработки древесины, после которой она приобретает доселе неведанные свойства, превосходя по своей прочности сталь!
Все началось с внимательного изучения древесины под новым углом. В частности, были проанализированы свойства каждого ее компонента. Основой частью древесины является целлюлоза. Этот материал по своему соотношению прочности к плотности превосходит не только сталь, но и керамику. Если все так, то почему дерево остается мягким? Это вполне закономерно на фоне того, что другие компоненты, присутствующие в древесине, «разбавляют» это свойство.
Технология упрочнения древесины подразумевает удаление ее мягких компонентов с одновременным уплотнением оставшейся целлюлозной основы. Обработка выполняется в два этапа. На первом этапе древесина подвергается делигнифицированию. Она становится более гибкой. Затем, обработанная химикатами древесина помещается под горячий пресс и выдерживается под давлением заданное время. Результат может сильно удивить – сделанный из такого дерева нож справляется с разрезанием стейка лучше, чем традиционный стальной!
Специалисты исследовали характеристики ножа. Оказалось, что его лезвие в три раза острее стального. Обработанное дерево в 23 раза прочнее необработанного. Если же покрыть такой нож специальным маслом, исключающим попадание воды внутрь волокон, то нож можно мыть к посудомоечной машине без риска повредить его. В своих опытах ученые пошли еще дальше. По такой же технологии были изготовлены гвозди, которыми было «сшито» несколько досок.
Результаты экспериментов с обработанным деревом позволяют рассматривать его, как весьма перспективный экологически чистый материал, способной заменить собой метал. При этом его не требуется плавить в печах. Процесс обработки древесины более дешев и менее трудоемок.
Добавьте «Нескучные технологии» в избранные источники
Back to top button
У слова «Закаливание» есть и другие значения; см. Закаливание.
- ↑ 1 2 3 4 5 Трунова, Куленкамп, 2006.
- Премия имени К. А. Тимирязева. — Российская академия наук, 2020. — 13 января. — Дата обращения: 04.09.2020.
ЛитератураПравить
Морозоустойчивость
зимующих растений неодинакова в течение
года, она повышается в зимнее время и
понижается весной и летом. Причиной
этих изменений является закаливание,
которое растение проходит при подготовке
к зимнему периоду. Закаливание —
процесс обратимого физиологического
приспособления растений к
неблагоприятным условиям внешней
среды. Это активный метаболический
процесс, а не простое замедление
жизнедеятельности, хотя оно и связано
с резким снижением темпов роста и
переходом растения в покоящееся
состояние. Закалицание озимых впервые
было исследовано И. И. Тумановым (1940).
Он выделил и описал две стадии этого
процесса.
Первая
протекает осенью, когда дневные
температуры еще относительно высоки
(+10 °С), а ночные падают до 0 — 2 °С.
Благоприятным фактором является
свет. В это время в процессе фотосинтеза
происходит активное накопление Сахаров
(до 25 — 30 % на сухую массу растений).
Накапливаемые сахара мало расходуются
при дыхании, так как ночные температуры
низки для активного процесса. При этом
происходит повышение морозоустойчивости,
но небольшое — до 10 — 12 °С ниже нуля.
Для дальнейшего повышения морозоустойчивости
необходима вторая стадия закаливания
(которая проходит в начале зимы при
слабых морозах (до -5 °С), коща растения
покрыты снегом). Фотосинтез при этом
прекращается, но активизируются
биохимические процессы, ведущие к
перераспределению в клетках Сахаров,
которые перемещаются в цитоплазму и
пропитывают ее. В то же время часть воды
оттекает из клеток и превращается во
внеклеточный лед. При этом образуется
значительный водный дефицит — 30 —
50 % от общего содержания воды. Это
обезвоживание цитоплазмы и накопление
в ней большого количества защитных
веществ значительно повышает
морозоустойчивость (до 25 — 30 °С ниже
нуля). Так как в средней полосе России
такие морозы сравнительно редки, а
озимые растения обычно находятся под
снегом, можно считать, что при закаливании
приобретается абсолютная
морозоустойчивость. Древесные растения,
развивающие морозоустойчивость в
состоянии покоя, проходят более
сложный и длительный период закаливания.
Подготовка к перезимовке у них начинается
после периода роста, задолго до
наступления холодов. В течение второй
половины лета в живых тканях накапливаются
питательные вещества, главным образом
крахмал. Осенью происходит его
превращение — гидролиз с образованием
Сахаров (невысокая устойчивость)
или жирных масел (высокая устойчивость).
Эти вещества связываются с белками,
образуя белково-липоидный комплекс,
который пропитывает цитоплазму. В
это же время снижается .содержание
воды в тканях и происходит отток
различных веществ из надземных органов
в корневую систему. Клетки корня в свою
очередь вырабатывают вещества, повышающие
устойчивость организма против
морозов. Благоприятным условием для
успешного закаливания является раннее
прекращение роста, раннее вызревание
побегов и переход их в состояние покоя.
Этому также способствует короткий
день, пониженная влажность и умеренное
азотное питание.
После
публикации основополагающих работ И.
И. Туманова физиологи продолжали
исследовать процесс закаливания й
внесли в эту проблему много нового,
например положение о фоторегуля- торном
действии света на закаливаемые растения,
который воспринимается пигментной
системой растения (фитохромом). Это
подтверждается тем, что лишенные,
пигментов этиолированные (лишенные
хлорофилла) растения к закаливанию
неспособны.
По-прежнему
считается, что закаливание проходит в
две фазы, но в них вкладывается новое
содержание. Так, во время первой фазы
подтверждено накопление защитных
веществ, к которым кроме Сахаров
относят растворимые белки, фосфолипиды,
жирные кислоты, АТФ. В это же время
происходит изменение баланса регуляторов
роста: уменьшается содержание активирующих
и увеличивается количество ингибирующих
рост фитогормонов. В результате
действия этого фактора происходит
резкое замедление роста, и растения
подготавливаются к переходу в состояние
покоя.
Вторая
фаза закаливания включает в себя
частичное обезвоживание растения,
когда водный дефицит достигает 30 — 50
%. Вода оттягивается образующимся на
поверхности и в межклетниках льдом.
Такое частичное обезвоживание затрудняет
полное замерзание и препятствует
образованию внутриклеточного льда. В
цитоплазме клеток происходит перестройка
обмена, которая заключается в
появлении дополнительного количества
защитных веществ. Прежде всего
превращения претерпевает крахмал, не
обладающий защитным действием: он
переходит в сахара или в жирные масла
(у некоторых древесных растений хвойных
и мелколиственных видов). При этом
морозоустойчивость значительно
повышается. Испытывают превращения
жирные кислоты: из насыщенных они
переходят в непредельные, что также
увеличивает морозоустойчивость.
Появляются некоторые защитные фосфолипи-
ды — фосфатидилхолин, аденилхолин и
др, Наконец, происходят изменения в
ультраструктурах клетки. В цитоплазме
у устойчивых к замерзанию растений
увеличивается число внутриплазматических
мембран за счет образования дополнительных
элементов эндоплазматического
ретикулума, митохондрий, пластид. У
морозоустойчивых видов, по данным П.
А. Генкеля, обнаруживается обособление
цитоплаз- м ы, которое заключается во
втягивании плазмодесм, отставании
цитоплазмы от оболочки и покрытии ее
липидным слоем. Это сопровождается
увеличением связанной воды и вязкости
цитоплазмы. Морозоустойчивость при
этом резко повышается. Другой процесс,
который ведет к повышению морозоустойчивости,
— это витрификация — переход жидкости
(воды) при понижении температуры в
аморфное стекловидное состояние. Этот
переход наступает при резком: охлаждении
ткани ниже -20 °С. Застывшая стекловидная
ткань в таком виде долго сохраняет свою
жизнеспособность. При медленном
поднятии температуры замерзшей ткани
жизнеспособность клеток восстанавливается,
а при быстром происходит их отмирание,
так как вода, возвращаясь из аморфного
в кристаллическое состояние, может
превратиться в кристаллический лед,
который и нанесет повреждение клетке.
Витрификация в значительной степени
повышает морозоустойчивость, но
происходит ли она в естественных
условиях, неизвестно, так как этот
процесс наблюдался только в лаборатории.
Для перехода клеток в состояние
витрификации необходимы следуюпще
условия: быстрое охлаждение очень
низкими температурами или медленное
ступенчатое охлаждение, но при
обязательном предварительном обособлении
цитоплазмы клеток.
На
морозоустойчивость и закаливание
оказывают влияние внешние условия
предшествующего периода. Например,
важна длина дня, т. е. фотопериод. Длинный
день способствует накоплению в
листьях стимуляторов роста, он
неблагоприятен для закаливания;
короткий день приводит к накоплению
ингибиторов и к. переходу растения в
^состояние покоя. При солнечной и
холодной осени у озимых запасается
больше Сахаров, а следовательно, сильнее
повышается их морозоустойчивость. При
теплой влажной, пасмурной осени
ростовые процессы затягиваются, растения
вступают в зимовку с меньшей устойчивостью
к морозам. Таким образом, морозоустойчивость
растений — состояние не постоянное,
оно может изменяться в течение года.
Ее можно увеличить Закаливанием^ но
можно и снизить действием определенных
факторов (вода, температура, свет). Не
все растения способны закаливаться,
вследствие этого различные сорта озимых
культур обладают неодинаковой
морозоустойчивостью.
Морозоустойчивость-
это
способность переносить температуру
ниже О °С, низкие отрицательные
температуры.
Морозоустойчивые растения способны
предотвращать или уменьшать действие
низких отрицательных температур. Морозы
в зимний период с температурой ниже -20
°С обычны для значительной части
территории России. Воздействию морозов
подвергаются однолетние, двулетние и
многолетние растения. Растения переносят
условия зимы в различные периоды
онтогенеза. У однолетних культур
зимуют семена (яровые растения),
раскустившиеся растения (озимые), у
двулетних и многолетних — клубни,
корнеплоды, луковицы, корневища,
взрослые растения. Способность озимых,
многолетних травянистых и древесных
плодовых культур перезимовывать
обусловливается их достаточно высокой
морозоустойчивостью. Ткани зимостойких
растений могут замерзать, однако
растения не погибают. Большой вклад в
изучение физиологических основ
морозоустойчивости внесли Я. А. Максимов
(1952), Г. А. Самыгин (1974), И. И. Туманов (1979)
и другие отечественные исследователи.
Замерзание
растительных клеток и тканей и происходящие
при этом процессы.
Способность растении переносить
отрицательные температуры определяется
наследственной
основой данного вида растений, однако
морозоустойчивость одного я того же
растения зависят от
условии,
предшествующих наступлению морозов,
влияющих на характер льдообразования.
Лед может образовываться как
в протопласте
клетки, так и в межклеточном
пространстве. Не всякое образование
льда приводит клетки растения к гибели.
Постепенное
снижение температуры со скоростью 0,5-1
°С/ч приводит к образованию кристаллов
льда прежде всего в межклеточниках
и первоначально не вызывают гибели
клеток. Однако последствия этого
процесса могут быть губительными для
клетки. Образование льда в
протопласте клетки, как правило,
происходит при быстром понижении
температуры.
Происходит коагуляция
белков
протоплазмы, кристаллами образовавшегося
в цитозоле льда повреждаются клеточные
структуры, клетки погибают. Убитые
морозом растения после оттаивания
теряют тургор, из их мясистых тканей
вытекает вода.
Условия
и причины вымерзания растений.
Образующийся при медленном промерзании
в межклеточниках и клеточных стенках
лед оттягивает
воду
из клеток; клеточный сок становится
концентрированным,
изменяется рН
среды.
Выкристаллизовавшийся лед действует
как сухой воздух, иссушая клетки и сильно
изменяя их осмотические свойства. Кроме
того, цитоплазма подвергается сжатию
кристаллами льда. Образующиеся кристаллы
льда вытесняют воздух из межклеточников,
поэтому замерзшие листья становятся
прозрачными.
Однако
клетки, ткани и растения могут погибнуть
от мороза. Основными причинами гибели
меток растений при низких отрицательных
температурах и льдообразовании являются
чрезмерное обезвоживание
клеток или механическое давление, сжатие
клеток кристаллами льда, повреждающее
тонкие клеточные структуры.
Оба эти фактора могут действовать
одновременно.
Летальность
действия мороза определяется несколькими
обстоятельствами. Последствия
воздействия низких отрицательных
температур зависят от оводненности
тканей растения. Насыщенные водой ткани
легко повреждаются, сухие же семена
могут выносить глубокие низкие
температуры (до
-196 °С).
Низкое содержание воды предохраняет
от образования льда в растениях при
промораживании. Разные растения, их
клетки имеют свой критический
предел обезвоживания и сжатия.
Гибель
клеток, тканей и растений под действием
морозов обусловливается необратимыми
изменениями, происходящими в протопласте
клеток: его
коагуляцией, денатурацией коллоидов
протопласта, механическим давлением
льда, повреждающим поверхностные
структуры цитоплазмы, кристаллами льда,
нарушающими мембраны и проникающими
внутрь клетки.
Вредное влияние оказывает повышение
концентрации и изменение рН
клеточного сока, сопровождающие
обезвоживание клеток.
Действие
льда, особенно при длительном влиянии
низких температур, сходно с обезвоживанием
клеток при
засухе.
Признаками повреждения клеток
морозом являются потеря
ими тургора, инфильтрация межклеточников
водой и выход ионов из клеток.
Выход ионов
К и сахаров
из клеток, по-видимому, связан с
повреждением мембранных
систем их активного транспорта.
Поврежденные растения при переносе в
теплое место имеют вид ошпаренных,
утрачивают тургор, листья быстро буреют
и засыхают.
При оттаивании мороженых клубней
картофеля, корнеплодов кормовой и
сахарной свеклы вода
легко вытекает из тканей.
Важно отметить, что состояние переохлаждения
(без
образования льда) растения переносят
без вреда;
при тех же температурах, но с
образованием льда в тканях растения
гибнут.
У
устойчивых к морозу растений имеются
защитные
механизмы,
в основе которых лежат определенные
физико-химические изменения.
Морозоустойчивые растения обладают
приспособлениями,
уменьшающими обезвоживание клеток.
- При
понижении температуры у таких растений
отмечаются повышение содержания
сахаров
и других веществ, защищающих ткани
(криопротекторы),
это прежде всего гидрофильные белки,
моно-
и олигосахариды; - увеличение
количества полярных липидов и снижение
насыщенности их жирнокислотных остатков, - увеличение
количества защитных белков.
На
степень морозоустойчивости растений
большое влияние (оказывают сахара,
регуляторы
роста и другие вещества, образующиеся
в клетках. В зимующих растениях в
цитоплазме накапливаются сахара, а
содержание крахмала снижается. Влияние
сахаров на повышение морозоустойчивости
растений многосторонне
(предохраняет от замерзания большой
объем внутриклеточной воды, заметно
уменьшает количество образующегося
льда).
Сахара
защищают белковые соединения
от коагуляции при вымораживании; они
образуют гидрофильные связи с белками
цитоплазмы, предохраняя их от возможной
денатурации, повышают
осмотическое давление
и снижают
температуру замерзания цитозоля.
В результате накопления сахаров
содержание
прочносвязанной воды увеличивается, а
свободной уменьшается.
Особое значение имеет защитное влияние
сахаров на белки. сосредоточенные в
поверхностных мембранах клетки. Сахара
увеличивают
водоудерживающую
способность коллоидов
протоплазмы
клеток; связанная с коллоидами вода в
виде гидратных оболочек биополимеров
при низких температурах не замерзает
и не транспортируется.
Криопротекторами
являются также молекулы гемицеллюлоз
(ксиланы,
арабиноксиланы),
выделяемые цитоплазмой в клеточную
стенку, обволакивающие
растущие кристаллы
льда, что предотвращает образование
крупных кристаллов, повреждающих клетку.
Так клетки защищаются как от внутриклеточного
льда, так и от чрезмерного обезвоживания.
Значительное
количество защитных белков и модификации
молекул липидов увеличивают
структурированность клеток. У большинства
растений возрастает синтез водорастворимых
белков. Белковые вещества, частично
гидролизуясь, увеличивают содержание
свободных
АК.
В
тканях морозоустойчивых растений в
конце лета и осенью накапливаются в
достаточно количестве запасные вещества
(прежде всего сахара), которые используются
весной при возобновлении роста,
обеспечивая потребности растении в
строительном материале и энергии.
Необходимо также учитывать устойчивость
растении к болезням, вероятность развития
которых увеличивается при повреждении
тканей морозом.
Закаливание
растений, его фазы.
Морозоустойчивость — не постоянное
свойство растений. Она зависит
от физиологического состояния
растении и условии внешней среды.
Растения, выращенные
при относительно низких положительных
температурах, более устойчивы, чем
выращенные при относительно высоких
осенних температурах. Свойство
морозоустойчивости формируется в
процессе онтогенеза растения под
влиянием определенных условии среды в
соответствии с генотипом растения и
связано с резким снижением
темпов роста, переходом растения в
состояние покоя.
Жизненный
цикл развития озимых, двуручек, двулетних
и многолетних растении контролируется
сезонным ритмом светового и
температурного периодов. В отличие от
яровых однолетних растении они
начинают готовиться к перенесению
неблагоприятных зимних условии с
момента остановки роста и затем в течение
осени во время наступления пониженных
температур.
Повышение
морозоустойчивости растении тесно
связано с закаливанием
— постепенной подготовкой к воздействию
низких зимних температур.
Закаливание
— это обратимая физиологическая
устойчивость к неблагоприятным
воздействия среды.
Способностью
к закаливанию обладают не все растения.
Растения южного происхождения не
способны переносить морозы. Способность
к закаливанию у древесных и зимующих
травянистых растений северных широт,
переживающих значительное понижение
температуры в зимний период, в период
летней вегетации отсутствует и
проявляется только во время наступления
осенних пониженных температур (если
растение к этому времени прошло
необходимый цикл развития). Процесс
закалки приурочен лишь к определенным
этапам развития растений. Для приобретения
способности к закаливанию растения
должны закончить процессы роста.
Разные
органы растении имеют неодинаковую
способность к закаливанию, например,
листья листопадных деревьев (яблоня,
груша, вишня) не обладают способностью
к закаливанию, цветочные почки
закаливаются хуже, чем листовые. У
вегетирующих растений легко вымерзают
растущие и не закончившие рост органы.
Выносливость растении к низким
температурам в этот период незначительная.
Эффект
закаливания может не проявляться, если
какая-либо причина (засуха, поздний
посев, посадка и др.) произошла задержка
развития растений. Так, если в течение
дета у плодовых растении процессы роста
из-за летней засухи не успели
закончиться, то зимой это может привести
к гибели растений. Дело в том, что засуха,
приостанавливая рост летом, не позволяет
растениям завершить его к осени.
Одновременно при закалке должен произойти
отток различные веществ из надземных
органов в подземные зимующие (корневые
системы, корневища, луковицы, клубни).
По этой же причине закаливание травянистых
и древесных растений ухудшает
избыточное азотное питание,
удлиняющее период роста до поздней
осени, в результате растения не способны
пройти процессы закаливания и погибнут
даже при небольших морозах.
Яровые
злаки при озимом посеве по сравнению с
озимыми растут при более пониженных
положительных температурах, в весенний
период почти не снижают темпов роста и
не
способны к закаливанию.
Большую роль в закаливании играют
условия внешней среды.
На
озимых культурах убедительно покатана
необходимость
света
для процесса закаливания. Сокращение
фотопериода служит для растений сигналом
к прекращению роста и накопления
ингибиторов в растениях. Вероятно, с
этих процессов начинается формирование
морозоустойчивости у растений.
Растения,
выращенные при несоответствующем
фотопериоде не успевают завершить
летний рост и не способны к закаливанию.
Установлено, что длинный
день
способствует образованию в листьях
черной смородины фитогормонов —
стимуляторов роста, а короткий —
накоплению ингибиторов. В естественные
условиях к закаливанию способен лишь
организм в целом, при обязательном
наличии корневой системы. По-видимому,
в корнях вырабатываются вещества,
повышающие устойчивость растения к
морозу.
Фазы
закаливания.
По И. И. Туманову (1979) процесс закаливания
растений требует определенного комплекса
внешние условий и проходит в
две фазы,
которым предшествуют замедление роста
и переход растении в состояние покоя.
Прекращение роста и переход в состояние
покоя — необходимые условия прохождения
первой фазы закаливания. Однако само
по себе оно лишь немного повышает
морозоустойчивость растения. У травянистых
растений переход в состояние покоя
происходит в период первой фазы
закаливания. У древесных покой наступает
в начале осени, до прохождения первой
фазы закаливания.
При
переходе в состояние покоя изменяется
баланс
фитогормонов:
уменьшается содержание ауксина и
гиббереллинов и увеличивается
содержание абсцизовой кислоты, которая,
ослабляя и ингибируя ростовые
процессы, обусловливает наступление
периода покоя. Поэтому обработка растений
озимой пшеницы, люцерны и других культур
в этот период ингибиторами роста
(например, хлорхолинхлоридом — ССС
или трийодбензойной кислотой) повышает
устойчивость растении к низким
температурам.
Первая
фаза
закаливания проходит на свету и при
низких положительных температурах в
ночное время (днем
около 10
°С,
ночью
около 2
°С),
останавливающих рост, и умеренной
влажности почвы. Озимые
злаки проходят первую фазу на свету при
среднесуточной температуре 0,5-2
°С
за 6-9 дней, древесные за 30 дней. В эту
фазу продолжается дальнейшее замедление
и даже происходит полная остановка
ростовых процессов.
Свет
в этой фазе необходим не только для
фотосинтеза,
но и для поддержания
ультраструктур клетки.
В таких условиях за счет фотосинтеза
образуются сахара,
а понижение температуры в ночное время
значительно снижает
их расход на дыхание и рост.
В результате в клетках растений
накапливаются
сахароза, другие олигосахариды,
растворимые белки и т. д., в мембранах
возрастает содержание ненасыщенных
жирных кислот, снижается точка замерзания
цитоплазмы, отмечается некоторое
уменьшение внутриклеточной воды.
Благоприятные
условия для прохождения первой фазы
закаливания озимых растений
складываются при солнечной и прохладной
(дневная температура до 10 °С) погоде,
способствующей накоплению в тканях
растений углеводов и других защитных
веществ. В естественных условиях
оптимальный срок первой фазы закаливания
озимых злаков до
двух недель.
За это время количество сахаров в
растениях возрастает до 70
%
на сухую массу или до 22
%
на сырую массу, т. е. близко содержанию
сахаров в корнеплодах лучших сортов
сахарной свеклы.
Растения
озимой пшеницы можно закалить и в
темноте при 2
°С,
если их корни или узлы кущения погрузить
в раствор сахарозы.
Такие растения выдерживают морозы до
-20
°С
(И. И. Туманов, 1979). Накапливающиеся в
процессе закаливания сахара локализуются
в клеточном соке, цитоплазме, клеточных
органеллах, особенно в хлоропластах.
При закаливании растений
высокоморозоустойчивого сорта озимой
пшеницы при температуре, близкой к О
°С, количество сахаров в хлоропластах
листьев увеличивалось в 2,5 раза, благодаря
чему хлоропласты продолжали функционировать.
Повышение содержания сахаров в
хлоропластах коррелирует с
морозоустойчивостью растений.
В
хлоропластах содержатся те же формы
сахаров что и в листьях: фруктоза,
глюкоза, сахароза, олигосахара (Т. И.
Трунова, 1970). Имеются данные, что при
накоплении сахаров процесс
фотофосфорилирования продолжается
даже при отрицательных температурах.
Более морозоустойчивые виды и сорта
растений лучше накапливают сахар именно
при сочетании пониженной температуры
и умеренной влажности почвы. Дело в том,
что в первой фазе закаливания происходит
уменьшение содержания свободной воды,
а излишняя влажность почвы при дождливой
осени затрудняет этот процесс, повышается
вероятность в последующем образования
внутриклеточного льда и гибели растений.
Метаболические
изменения, наблюдаемые во время первой
фазы, могут быть вызваны изменением
гормонального и энергетического
балансов, что определяет синтез и
активацию специфических ферментов,
свойства веточных мембран закаленных
тканей. Накапливающаяся в тканях
абсцизовая кислота увеличивает
проницаемость мембран для воды, водоотдачу
теток. К. концу первой фазы закаливания
все зимующие растения переходят в
состояние покоя. Однако процессы закалки,
перестройки процессов обмена веществ
продолжаются.
При
постепенном понижении температуры в
межклеточниках образуется лед и начинают
функционировать механизмы, предохраняющие
подготовленные в первой фазе закаливания
растения от чрезмерного обезвоживания.
Накопившиеся в первой фазе закаливания
сахара изменяют устойчивость биоколлоидов
цитоплазмы к низким температурам,
возрастает относительное количество
коллоидно-связанной воды.
Вторая
фаза
обеспечивает отток
из цитозоля клеток почти всей воды,
которая может замерзнуть при отрицательной
температуре. При критических
температурах отток воды из клеток
значительно ухудшается, появляется
много переохлажденной воды, которая
затем замерзает внутри протопласта и
может привести к гибели клеток.
Следовательно, чем менее морозоустойчиво
растение, тем медленнее должна протекать
вторая фаза закаливания.
Действующими
факторами второй фазы закаливания
являются обезвоживание,
вызывающее сближение молекул в цитозоле,
вязкость которого соответственно
увеличивается; низкая температура,
уменьшающая тепловое движение молекул
в протопласте. В результате во второй
фазе закаливания происходит перестройка
белков цитоплазмы, накапливаются
низкомолекулярные водорастворимые
белки, более устойчивые к обезвоживанию,
синтезируются специфические белки.
Содержание незамерзающей (связанной)
воды в тканях зимостойкой пшеницы почти
в 3 раза выше по сравнению с незимостойкой.
Перестройка
цитоплазмы увеличивает проницаемость
ее для воды, способствует более быстрому
оттоку воды в межклеточники, что
снижает опасность внутриклеточного
льдообразования. При обезвоживании,
происходящем под влиянием льдообразования,
наблюдаются сближение и деформация
белковых молекул. связи между которыми
могут рваться и не восстанавливаются,
что пагубно для клетки. Очевидно, при
таких условиях происходит быстрое
смещение структурных частиц по отношению
друг к другу, что приводит к разрушению
субмикроскопической структуры
протопласта (И. И. Туманов).
Цитоплазма
закаленных растений более устойчива к
механическому давлению. Поэтому
важно наличие у молекул белков
сульфгидрильных и других гидрофильных
группировок, которые способствуют
удержанию воды, препятствуют слишком
сильному сближению молекул белка. Между
содержанием сульфгидрильных групп и
морозоустойчивостью клеток растений
установлена положительная связь.
Благодаря изменению свойств молекул
белков и межмолекулярных связей в
процессе закаливания постепенное
обезвоживание приводит к переходу
цитоплазмы из состояния золя в гель.
Не
у всех растений процесс закаливания
проходит в две фазы.
У
древесных
растений, имеющих в тканях достаточное
количество сахаров, сразу же протекают
процессы, свойственные второй фазе
закаливания. Однако не все растения
способны к закаливанию. Теплолюбивые
растения (хлопчатник, рис, бахчевые
культуры) при длительном пребывании
при температурах немного выше О °С не
только не становятся устойчивыми, но
еще сильнее повреждаются или даже
погибают, так как в них накапливаются
ядовитые вещества, усиливающие губительное
действие на растения низких температур.
Обратимость
процессов закаливания.
Морозоустойчивость представляет собой
процесс, а не постоянное свойство
растений. Процесс закаливания обратим,
при этом морозоустойчивость растений
снижается. Развитие процесса закаливания
в значительной степени зависит от
условий его протекания. Особенно
заметное влияние на морозоустойчивость
оказывают условия закаливания
растений в осенний период, определяемые
в первую очередь соотношением числа
ясных дней с пониженными положительными
температурами ночью и числа пасмурных,
дождливых дней с относительно сближенными
высокими температурами днем и ночью.
Чем это отношение выше, тем лучше условия
для закалки (табл.).
Критические
температуры (°С) повреждения растений
озимой пшеницы при разных условиях
закалки
У
хорошо закаленных растений благодаря
высокой концентрации клеточного
сока, пониженному содержанию воды
образуется значительно меньше
кристаллов льда, причем не в клетке а
в межклеточниках. Такие растения
погибают только при очень, сильных
морозах. При закаливании происходят
обратимые физиологические изменения.
При неустойчивой осенней и зимней погоде
приобретенная в процессе закалки
морозоустойчивость снижается. Наблюдается
тесная связь между морозоустойчивостью
растений и ростовыми процессами. Переход
к состоянию покоя всегда сопровождается
повышением устойчивости, а от достояния
покоя к росту — снижением. В связи с этим
морозоустойчивость одного и того же
вида растений довольно сильно меняется
в течение года: летом она минимальная
(растения могут погибнуть при температурах
намного выше тех, которые они выдерживают
зимой), осенью увеличивается, а в конце
зимы и в начале весны опять снижается.
Повышение температуры весной сопровождается
противоположными закаливанию
физиолого-биохимическими изменениями
— происходит процесс раззакаливания
растений. Весной растения часто гибнут
даже от небольших заморозков.
Способы
повышения морозоустойчивости.
Основа решения этой задачи -селекция
морозоустойчивых сортов растений,
хорошо адаптирующихся к климатическим
условиям данного региона. Следует
еще раз отметить, что процесс закаливания
представляет собой временную адаптацию
цитоплазмы, определяющую степень
устойчивости к последующим повреждениям
низкими температурами. Морозоустойчивость
же формируется в соответствии с генотипом
в процессе онтогенеза под влиянием
определенных условий внешней среды и
связана с наступлением периода покоя,
его глубиной и длительностью.
Агротехника
конкретного вида растений (срок и способ
посева и др.) должна максимально
способствовать формированию в процессе
закалки реализации возможной генетически
детерминированной морозоустойчивости
сорта. В северных и центральных
районах России с неустойчивой весной
и частым возвращением весенних
заморозков более устойчивы и урожайны
сорта озимых хлебов и плодовых многолетних
культур с более глубоким зимним
покоем, с поздним сроком возобновления
весенней вегетации (***). Наоборот, в
районах с устойчивым нарастанием
положительных температур весной
преимущество имеют рано вегетирующие
виды и сорта растений.
Морозоустойчивость
сортов озимой пшеницы определяется не
только количеством сахаров, накопленных
с осени, но и их экономным расходованием
в течение зимы. У растений зимостойких
сортов озимой пшеницы в зимний период
с понижением температуры содержание
моносахаридов (глюкоза, фруктоза)
увеличивается за счет расщепления
сахарозы на глюкозу и фруктозу, что
снижает точку замерзания клеточного
сока. Узел кущения злаков, корневая
шейка бобовых — своеобразная кладовая
энергетических ресурсов растения в
зимний период и орган побегообразования
весной.
Морозоустойчивость
растений озимой пшеницы положительно
коррелирует с содержанием сахаров в
узлах кущения. В хороших посевах озимой
пшеницы в листьях в декабре содержание
растворимых углеводов достигает 18-24 %
(на сухое вещество), а в узлах кущения —
39-42 %. В опытах более морозоустойчивый
сорт озимой пшеницы Мироновская 808
расходовал за зиму всего 10 % углеводов,
а менее устойчивый сорт Безостая 1-23 %
углеводов. Растения, закладывающие узлы
кущения глубоко (3-4 см), как правило,
более морозоустойчивы, чем те, у
которых узел кущения находится близко
к поверхности (1-2 см). Глубина залегания
узла кущения и мощность его развития
зависят от качества семян, способа
посева, обработки почвы.
На
морозоустойчивость существенное влияние
оказывают условия почвенного питания,
особенно в осенний период. Устойчивость
растений к морозу возрастает на постоянно
известкуемых почвах при внесении
под посев озимых калийно-фосфорных
одобрений, тогда как избыточные азотные
удобрения, способствуя процессам
роста, делают растения озимых более
чувствительными к морозам. На
морозоустойчивость, как и на холодостойкость
растений, положительное влияние оказывают
микроэлементы (кобальт, цинк, молибден,
медь, ванадий и др.)Например, цинк
повышает содержание связанной воды,
усиливает накопление сахаров, молибден
способствует увеличению содержания
общего и белкового азота.
Методы
изучения морозоустойчивости растений.
И. И. Тумановым с сотрудниками предложены
лабораторные методы ускоренного
определения морозоустойчивости различных
культурных растений. Испытуемые растения
после закаливания подвергают воздействию
критических низких температур в
холодильных камерах, что дает
возможность выявить невымерзающие
растения. Такая ускоренная оценка
морозоустойчивости имеет большое
преимущество перед обычным полевым
способом оценки, так как последний
требует много времени (иногда нескольких
лет).
Другие
надежные и удобные в исполнении
лабораторные методы определения
морозоустойчивости основаны на измерении
вязкости цитоплазмы в клетках тканей
исследуемых органов, определении
электропроводности и др. Определение
морозоустойчивости культурных
растений мирового ассортимента показало,
что страны СНГ обладают самыми устойчивыми
их формами. Наиболее устойчивые сорта
озимой пшеницы выведены опытными
учреждениями юго-востока и северо-востока
России, где природная обстановка
благоприятствует выведению морозоустойчивых
форм.
Закалка
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 мая 2021 года; проверки требуют 7 правок.
Зака́лка, или закаливание, — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве.
Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и т. д.
Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.
Типы закалокПравить
По полиморфному превращению
По температуре нагрева
Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит.
Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.
Закалочные средыПравить
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.
Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.
Способы закалкиПравить
- Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
- Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
- Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
- Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
- Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
- Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
- Закалка ТВЧ (индукционная) — закалка токами высокой частоты — деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.
ДефектыПравить
- Недостаточная твердость закалëнной детали — следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
- Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали. Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
- Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.
- Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объëмные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объёма до 3 %). Разновременность превращения по объёму закаливаемой детали вследствие различных её размеров и скоростей охлаждения по сечению ведëт к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
- Печи для термической обработки стали. Дата обращения: 10 июля 2011. Архивировано 17 февраля 2012 года.
- Болховитинов Н. Ф. Металловедение и термическая обработка : Учебник для машиностроит. втузов / Н. Ф. Болховитинов, д-р техн. наук проф. — 2-е изд., перераб. — М.: Машгиз, 1952. — 426 с.
- В.Н. Заплатин, Ю.И. Сапожников, А.В. Дубров, У.М. Духнеев. Основы материаловедения (металлообработка) / под ред. В.Н. Заплатина. — М.: Академия, 2017. — С. 141-142. — 272 с. — ISBN 978-5-4468-4122-6. Архивировано 22 ноября 2021 года.
- Остапенко Н. Н., Кропивницкий Н. Н. Технология металлов. — Издание 2-е. — Москва: «Высшая школа», 1970. — 344 с.
