極低温学は、極低温での材料とその挙動の科学的研究と定義されています。この言葉はギリシャ語の cryo に由来します 、「冷たい」を意味し、ジェニック 、「生産する」という意味です。この用語は通常、物理学、材料科学、および医学の文脈で遭遇します。極低温学を研究する科学者は極低温学者と呼ばれます .極低温材料は寒剤と呼ばれることがあります .低温は任意の温度スケールを使用して報告される可能性がありますが、正の数値を持つ絶対スケールであるため、ケルビン スケールとランキン スケールが最も一般的です。
物質が「極低温」であると見なされるためには、どのくらい冷たい必要があるかは、科学界で議論されている問題です。米国国立標準技術研究所 (NIST) は、低温学には -180 °C (93.15 K; -292.00 °F) 未満の温度が含まれると考えています。これは、一般的な冷媒 (硫化水素、フレオンなど) が気体であり、その下では「永久ガス」（空気、窒素、酸素、ネオン、水素、ヘリウムなど）は液体です。また、常圧での液体窒素の沸点 (-195.79 °C (77.36 K; -320.42 °F)) を超え、-50 °C (223.15 K; −58.00 °F).
寒剤の温度を測定するには、特別なセンサーが必要です。測温抵抗体 (RTD) は、30 K までの温度測定に使用されます。30 K 未満では、シリコン ダイオードがよく使用されます。極低温粒子検出器は、絶対零度より数度上で動作するセンサーであり、光子と素粒子の検出に使用されます。
極低温液体は通常、デュワーフラスコと呼ばれる装置に保管されます。これらは、断熱のために壁の間に真空がある二重壁の容器です。非常に冷たい液体 (液体ヘリウムなど) での使用を目的としたデュワーフラスコには、液体窒素で満たされた追加の断熱容器があります。デュワーフラスコは、発明者のジェームス・デュワーにちなんで名付けられました。フラスコは、爆発につながる可能性のある沸騰による圧力の蓄積を防ぐために、ガスを容器から逃がすことができます。
極低温流体
次の流体は、極低温で最もよく使用されます:
| 流体 | 沸点 (K) |
| ヘリウム-3 | 3.19 |
| ヘリウム-4 | 4.214 |
| 水素 | 20.27 |
| ネオン | 27.09 |
| 窒素 | 77.36 |
| 空 | 78.8 |
| フッ素 | 85.24 |
| アルゴン | 87.24 |
| 酸素 | 90.18 |
| メタン | 111.7 |
低温学の使用
低温学にはいくつかの用途があります。液体水素や液体酸素 (LOX) など、ロケット用の極低温燃料の製造に使用されます。核磁気共鳴 (NMR) に必要な強力な電磁界は、通常、電磁石を冷媒で過冷却することによって生成されます。磁気共鳴画像法 (MRI) は、液体ヘリウムを使用する NMR のアプリケーションです。赤外線カメラは、しばしば極低温冷却を必要とします。食品の極低温冷凍は、大量の食品を輸送または保管するために使用されます。液体窒素は、特殊効果や特別なカクテルや食べ物の霧を生成するために使用されます。寒剤を使用して材料を凍結すると、材料がもろくなり、リサイクルのために細かく砕くことができます。極低温は、組織や血液標本の保存、および実験サンプルの保存に使用されます。超伝導体の極低温冷却は、大都市の電力伝送を増加させるために使用される可能性があります。極低温処理は、一部の合金処理の一部として使用され、低温化学反応を促進するために使用されます (スタチン薬の製造など)。クライオミリングは、柔らかすぎたり弾力性がありすぎて常温ではミリングできない材料をミリングするために使用されます。分子の冷却 (数百ナノケルビンまで) を使用して、物質のエキゾチックな状態を形成することができます。 Cold Atom Laboratory (CAL) は、微小重力下でボーズ アインシュタイン凝縮 (約 1 ピコ ケルビン温度) を形成し、量子力学やその他の物理原理の法則をテストするために設計された装置です。
極低温分野
極低温学は、次のようないくつかの分野を含む幅広い分野です。
クライオニクス - クライオニクスとは、将来の蘇生を目的とした動物や人間の凍結保存です。
凍結手術 - これは、がん細胞やほくろなどの望ましくない組織や悪性組織を殺すために極低温を使用する手術の一分野です。
極低温 s - これは、低温での超伝導、可変範囲ホッピング、およびその他の電子現象の研究です。クライオエレクトロニクスの実用化はクライオトロニクスと呼ばれます .
凍結生物学 - これは、凍結保存を使用した生物、組織、および遺伝物質の保存を含む、生物に対する低温の影響に関する研究です。 .
極低温の豆知識
低温学では通常、液体窒素の凝固点よりも低いが絶対零度よりも高い温度が必要ですが、研究者は絶対零度よりも低い温度 (いわゆる負のケルビン温度) を達成しました。 2013 年、ミュンヘン大学 (ドイツ) の Ulrich Schneider は、ガスを絶対零度以下に冷却しました。これにより、温度が低くなる代わりに温度が高くなったと報告されています!
ソース
- Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) 「運動自由度の負の絶対温度"。 科学 339 、 52–55.
- ガンツ、キャロル (2015). 冷蔵:歴史 .ノースカロライナ州ジェファーソン：McFarland &Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
- Nash, J.M. (1991)「高温極低温用渦膨張装置」。 Proc.第26回社会エネルギー変換工学会議 、Ｖｏｌ． 4, pp. 521–525.
