Krüogeensuse mõiste ja kasutusalad

Krüogeensus on määratletud kui materjalide ja nende käitumise eriti madal teaduslik uurimine temperatuurid. Sõna pärineb kreeka keelest krüo, mis tähendab "külma", ja geen, mis tähendab "tootmist". Seda terminit kohtab tavaliselt füüsika, materjaliteaduse ja meditsiini kontekstis. Teadlast, kes uurib krüogeenikat, nimetatakse a krüogeenik. Krüogeenset materjali võib nimetada a krüogeen. Kuigi külma temperatuuri kohta võib teatada mis tahes temperatuuriskaala abil, kelvinid ja Rankine skaalad on kõige tavalisemad, kuna nad on absoluutsed skaalad millel on positiivsed numbrid.

Täpselt, kui külma ainet tuleb pidada "krüogeenseks", on teadusringkondade arutelu küsimus. USA Riiklik Standardite ja Tehnoloogia Instituut (NIST) leiab, et krüogeenika hõlmab temperatuure alla –180 ° C (93,15 K; −292.00 ° F), mis on temperatuur, millest kõrgem on tavaliste jahutusainete (nt vesiniksulfiidi, freooni) temperatuur. gaasid ja mille all on "püsivad gaasid" (nt õhk, lämmastik, hapnik, neoon, vesinik, heelium) vedelikud. Samuti on olemas õppesuund, mida nimetatakse "kõrge temperatuuri krüogeenikaks", mis hõlmab keemispunktist kõrgemaid temperatuure

Krüogeenide temperatuuri mõõtmiseks on vaja spetsiaalseid andureid. Temperatuuri mõõtmiseks nii madalal kui 30 K kasutatakse takistustemperatuuri detektorit (RTD). Alla 30 K kasutatakse sageli ränidioode. Krüogeensete osakeste detektorid on andurid, mis töötavad paar kraadi üle absoluutse nulli ja neid kasutatakse footonite ja elementaarsete osakeste tuvastamiseks.

Krüogeenseid vedelikke hoitakse tavaliselt seadmetes, mida nimetatakse Dewar-kolbideks. Need on kahekordse seinaga konteinerid, mille isolatsiooni jaoks on seinte vahel vaakum. Dewar-kolbidel, mis on ette nähtud kasutamiseks eriti külmade vedelikega (nt vedela heeliumiga), on veel üks isoleerpaak, mis on täidetud vedela lämmastikuga. Dewari kolvid on nimetatud nende leiutaja James Dewari järgi. Kolvid lasevad gaasil paagist väljuda, et vältida rõhu suurenemist keemistemperatuuril, mis võib põhjustada plahvatuse.

Krüogeenikas kasutatakse kõige sagedamini järgmisi vedelikke:

Krüogeenikat on mitmeid rakendusi. Seda kasutatakse rakettide krüogeensete kütuste, sealhulgas vedela vesiniku ja vedela hapniku (LOX) tootmiseks. Tuumamagnetresonantsi (NMR) jaoks vajalikud tugevad elektromagnetilised väljad tekitatakse tavaliselt krüogeenidega elektrijaamade jahutamisel. Magnetresonantstomograafia (MRI) on NMR rakendus kasutab vedelat heeliumi. Infrapuna kaamerad vajavad sageli krüogeenset jahutamist. Toidu krüogeenset külmutamist kasutatakse suure koguse toidu transportimiseks või ladustamiseks. Udu tekitamiseks kasutatakse vedelat lämmastikku eriefektide jaoks ja isegi spetsiaalsed kokteilid ja toidud. Krüogeene kasutavate materjalide külmutamine võib muuta need piisavalt rabedaks, et need ringlussevõtuks väikesteks tükkideks puruneksid. Krüogeenseid temperatuure kasutatakse kudede ja vereproovide hoidmiseks ning katseproovide säilitamiseks. Krüogeenne jahutamine ülijuhtide arv võib kasutada suurte linnade elektrienergia ülekande suurendamiseks. Krüogeenset töötlemist kasutatakse mõne sulamitöötluse osana ja madala temperatuuriga keemiliste reaktsioonide hõlbustamiseks (nt statiiniravimite valmistamiseks). Krüo-jahvatamist kasutatakse selliste materjalide jahvatamiseks, mis võivad olla tavalistel temperatuuridel jahvatamiseks liiga pehmed või elastsed. Ainete eksootiliste olekute moodustamiseks võib kasutada molekulide jahutamist (kuni sadadeni nanokelviniinideks). Külma aatomi labor (CAL) on vahend, mis on ette nähtud kasutamiseks mikrogravitatsioonis Bose Einsteini moodustamiseks kondensaadid (temperatuur umbes 1 piko kelvini temperatuuril) ning kvantmehaanika ja muu füüsika katseseadused põhimõtteid.

Krüogeenika on lai valdkond, mis hõlmab mitmeid erialasid, sealhulgas:

Krüoonika - Krüoonika on loomade ja inimeste külmsäilitamine eesmärgiga neid tulevikus taaselustada.

Krüokirurgia - See on operatsiooni haru, kus krüogeenset temperatuuri kasutatakse soovimatute või pahaloomuliste kudede, näiteks vähirakkude või muttide tapmiseks.

Krüoelektroonilines - see on ülijuhtivuse, muutuva ulatusega hüppe ja muude elektrooniliste nähtuste uurimine madalal temperatuuril. Krüoelektroonika praktilist rakendamist nimetatakse krüotroonika.

Krüobioloogia - See on madala temperatuuri mõju organismidele uurimine, sealhulgas organismide, kudede ja geneetilise materjali säilitamine kasutades külmsäilitamine.

Kui krüogeenika hõlmab tavaliselt temperatuuri, mis on madalam vedela lämmastiku külmumistemperatuurist, kuid on siiski kõrgem kui temperatuur absoluutne null, teadlased on saavutanud temperatuuri, mis on madalam kui absoluutne null (nn negatiivne Kelvin temperatuurid). 2013. aastal jahutas Ulrich Schneider Müncheni ülikoolis (Saksamaa) gaasi alla absoluutse nulli, mis väidetavalt muutis selle külmema asemel kuumaks!

• Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Vabaduse motiivide negatiivne absoluuttemperatuur". Teadus339, 52–55.
• Gantz, Carroll (2015). Külmutus: ajalugu. Jefferson, Põhja-Carolina: McFarland & Company, Inc. lk. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nash, J. M. (1991) "Vortexi laiendusseadmed kõrgtemperatuurse krüogeensuse jaoks". Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering 26. konverentsil, Vol. 4, lk. 521–525.