קריוגניקה מוגדרת כחקר המדע המדעי של חומרים והתנהגותם נמוכה במיוחד טמפרטורות. המילה באה מיוונית קריושפירושו "קר", ו גניםשמשמעותו "לייצר". המונח נתקל בדרך כלל בהקשר של פיזיקה, מדעי חומרים ורפואה. מדענים החוקרים קריוגניות נקרא א קריוגניסט. חומר קריוגני יכול להיקרא א קריוגן. למרות שניתן לדווח על טמפרטורות קרות באמצעות סולם טמפרטורות כלשהו, הקלווין ומאזני Rankine נפוצים בעיקר מכיוון שהם הם סולמות מוחלטים שיש להם מספרים חיוביים.
עד כמה קירור של חומר צריך להיחשב כקריוגני הוא עניין של דיון כלשהו על ידי הקהילה המדעית. המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב (NIST) מחשיב כי הקריוגנים כוללים טמפרטורות מתחת ל -180 מעלות צלזיוס (93.15 K; −292.00 ° F), שהיא טמפרטורה שמעליה קירור נפוץ (למשל, מימן גופרתי, פריון) גזים ומתחתיהם נמצאים "גזים קבועים" (למשל אוויר, חנקן, חמצן, ניאון, מימן, הליום) נוזלים. יש גם תחום לימודים המכונה "קריוגניות בטמפרטורה גבוהה", הכולל טמפרטורות מעל נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי רגיל לחץ (−195.79 מעלות צלזיוס (77.36 K; עד -350.42 מעלות צלזיוס, עד 50 מעלות צלזיוס (223.15 K; −58.00 ° F).
מדידת הטמפרטורה של הקריוגנים דורשת חיישנים מיוחדים. גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD) משמשים לביצוע מדידות טמפרטורה עד 30 K. מתחת ל -30 K משמשות לעתים קרובות דיודות סיליקון. גלאי חלקיקים קריוגניים הם חיישנים הפועלים מעלות בודדות מעל אפס מוחלט ומשמשים לזיהוי פוטונים וחלקיקים אלמנטריים.
נוזלים קריוגניים מאוחסנים בדרך כלל במכשירים הנקראים צלוחיות דיואר. אלה מכולות בעלות קירות כפולים שיש ואקום בין הקירות לבידוד. בבקבוקי הגמירה המיועדים לשימוש עם נוזלים קרים במיוחד (למשל הליום נוזלי) יש מיכל בידוד נוסף מלא בחנקן נוזלי. צלוחיות דיואר נקראות על שם הממציא שלהם, ג'יימס דיואר. הצלוחיות מאפשרות לגז להימלט מהמיכל כדי למנוע הצטברות לחץ שיכולה להביא לפיצוץ.
נוזלים קריוגניים
הנוזלים הבאים משמשים לרוב בקריוגנים:
| נוזל | נקודת רתיחה (K) |
| הליום -3 | 3.19 |
| הליום -4 | 4.214 |
| מימן | 20.27 |
| ניאון | 27.09 |
| חנקן | 77.36 |
| אוויר | 78.8 |
| פלואור | 85.24 |
| ארגון | 87.24 |
| חמצן | 90.18 |
| מתאן | 111.7 |
שימושים בקריוגנים
ישנן מספר יישומים של קריוגנים. הוא משמש לייצור דלקים קריוגניים לרקטות, כולל מימן נוזלי וחמצן נוזלי (LOX). השדות האלקטרומגנטיים החזקים הנחוצים לתהודה מגנטית גרעינית (NMR) מיוצרים בדרך כלל על ידי קירור-אלקטרומגנטים סופר-קריניים עם קריוגנים. הדמיית תהודה מגנטית (MRI) היא יישום של NMR זה משתמש בהליום נוזלי. אינפרא אדום מצלמות לעתים קרובות דורשות קירור קריוגני. הקפאה קריוגנית של מזון משמשת להובלה או לאחסון של כמויות גדולות של מזון. חנקן נוזלי משמש לייצור ערפל לאפקטים מיוחדים ואפילו קוקטיילים ואוכלים מיוחדים. הקפאת חומרים המשתמשים בקריוגנים עלולים להפוך אותם לפרחים מספיק כדי להישבר לחתיכות קטנות למיחזור. טמפרטורות קריוגניות משמשות לאחסון דגימות רקמות ודם ולשימור דגימות ניסוי. קירור קריוגני של מוליכי-על עשוי לשמש להגדלת העברת החשמל עבור ערים גדולות. עיבוד קריוגני משמש כחלק מטיפולי סגסוגת וכדי להקל על תגובות כימיות בטמפרטורה נמוכה (למשל, לייצור תרופות לסטטינים). Cryomilling משמש לטחינת חומרים העשויים להיות רכים מדי או אלסטיים כדי לטחון אותם בטמפרטורות רגילות. ניתן להשתמש בקירור מולקולות (עד מאות ננו קלווינים) ליצירת מצבים אקזוטיים של חומר. מעבדת ה- Cold Atom (CAL) היא מכשיר המיועד לשימוש במיקרובראווייציה ליצירת בוס איינשטיין עיבודים (סביב 1 טמפרטורת קלווין פיקו) וחוקי בדיקות של מכניקת הקוונטים ופיזיקה אחרת עקרונות.
דיסציפלינות קריוגניות
Cryogenics הוא תחום רחב המקיף כמה תחומים, כולל:
קריוניקס - קריוניקס הוא שימור הקריאה של בעלי חיים ובני אדם במטרה להחיות אותם בעתיד.
כירורגיה - זהו ענף ניתוחים בו משתמשים בטמפרטורות קריוגניות כדי להרוג רקמות לא רצויות או ממאירות, כמו תאים סרטניים או שומות.
קריואלקטרוניקהs - זהו מחקר של מוליכות-על, קפיצות בטווח משתנה ותופעות אלקטרוניות אחרות בטמפרטורה נמוכה. יישום מעשי של קריאו-אלקטרוניקה נקרא קריוטרוניקה.
קריוביולוגיה זהו מחקר ההשפעות של טמפרטורות נמוכות על אורגניזמים, כולל שימור של אורגניזמים, רקמות וחומרים גנטיים באמצעות שימור קריאה.
עובדה מהנה של קריוגניקה
בעוד שקריאוגניקה בדרך כלל כוללת טמפרטורה מתחת לנקודת הקפאה של חנקן נוזלי ובכל זאת מעל לזו של אפס מוחלט, החוקרים השיגו טמפרטורות מתחת לאפס מוחלט (מה שנקרא קלווין השלילי טמפרטורות). בשנת 2013 אולריך שניידר מאוניברסיטת מינכן (גרמניה) קירר גז מתחת לאפס מוחלט, מה שלפי הדיווחים הפך אותו לחם יותר במקום להיות קר יותר!
מקורות
- בראון, ש., רונזהיימר, ג'. פ ', שרייבר, מ., הודגמן, ש. ס., רום, ט., בלוך, א., שניידר, א. (2013) "טמפרטורה שלילית מוחלטת למעלות תנועה של חופש". מדע339, 52–55.
- גנץ, קרול (2015). קירור: היסטוריה. ג'פרסון, צפון קרוליינה: McFarland & Company, Inc. ע. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
- נאש, ג'. M. (1991) "התקני הרחבת וורטקס לקריוגנים בטמפרטורה גבוהה". פרוק. הכנס של ה -26 להנדסת המרה אנרגטית בין-אינטרסים, כרך. 4, עמ '. 521–525.