極低温学とは?低温学の応用とは?

極低温学は、非常に低い温度で観察される材料とその特性の科学的研究です。この用語は物理学に関連付けられていますが、医学、材料科学、エレクトロニクスなど、幅広い分野で応用されています。この分野の科学者と専門家は、極低温学者と呼ばれます。

極低温学は、非常に低い温度で観察される材料とその特性の科学的研究です。この言葉はギリシャ語に由来し、cryo- 「冷たい」と–ジェニックを意味します 「生産する」という意味。この用語は物理学に関連付けられていますが、医学、材料科学、エレクトロニクスなど、幅広い分野で応用されています。この分野の科学者と専門家は、極低温学者と呼ばれます。

極低温規格

物質が極低温と見なされる正確な温度 科学界の間では少しあいまいです。現在、米国国立標準技術研究所 (NIST) によると、極低温学は -180 °C (93.2 K) 未満の温度で研究された材料に関連しています。これは、フレオンや硫化水素などの一般的な冷媒がガス状になる温度です酸素、窒素、水素、ヘリウムなどの永久ガスが液体状態にある状態以下。また、「高温極低温学」という名前の専門分野もあり、常圧での液体窒素の沸点を超える温度、つまり、-195.8 °C (77.4 K) から -50 °C までを扱います。 (223.2 K).

極低温流体のリスト

以下は、極低温用途で使用される一般的な流体のリストです:

極低温学の分野は、第二次世界大戦中に科学者が低温にさらされた金属が摩耗や裂傷に対してより高い耐性を示すことを発見したときに進歩を遂げました.この極低温硬化の理論に基づいて 、極低温処理の商業化は 1960 年代後半に始まりました。 1965年、エド・ブッシュという実業家がデトロイトにCryoTechという会社を設立しました。ブッシュは熱処理業界のバックグラウンドを持っており、低温学を使用して金属工具の寿命を 300% から 500% 改善する可能性を検討した後、会社を設立しました。

極低温物質の扱い方

極低温液体は通常、有名な科学者ジェームズ・デュワーにちなんで名付けられたデュワーフラスコと呼ばれる特殊な容器に保管されます。これらは、壁の間に断熱真空がある二重壁の容器です。デュワー フラスコは、液体ヘリウムなどの非常に冷たい液体でも保存できるように設計されています。これらのフラスコは、爆発につながる可能性のある沸騰による圧力上昇を避けるために、ガスを容器から逃がすことができます。

デュワー瓶 (写真提供:Cjp24/Wikimedia Commons)

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) は低コストであるため、-243oC までの温度測定に適しています。 -243oC よりもさらに低い温度を測定するために、特別なシリコン ダイオードが使用されます。

極低温学の応用

極低温学は、医療、宇宙、技術などを含むいくつかの分野に適用できます。それを念頭に置いて、使用できる分野をさらに詳しく見てみましょう.

凍結手術

凍結手術は、手術で極低温材料を使用して異常または病気の組織を破壊することを含む、極低温学に由来する医療分野です。

凍結手術の図 (写真提供者:Brian Wowk/Wikimedia Commons)

凍結手術は、体の細胞に対する凍結温度の破壊力を利用する低侵襲手術です。温度が一定のレベルを下回ると、細胞内で氷の結晶が形成され始めます。これにより、細胞密​​度が低下し、バラバラになります。このように、凍結手術は骨の腫瘍だけでなく、内部および外部の腫瘍の治療にも使用されます。内部腫瘍の治療には、凍結プローブと呼ばれる中空の器具が使用されます。このデバイスは、腫瘍と接触して配置されます。アルゴンガスまたは液体窒素は、腫瘍領域のこの凍結プローブに通されます。超音波または MRI は通常、凍結プローブを操作し、細胞凍結のプロセスを監視するために使用されます。このようにして、近くの組織への損傷を最小限に抑えることができます。

クライオエレクトロニクス

クライオエレクトロニクスまたはクライオトロニクスは、極低温条件下での超伝導の研究を通常含む極低温学から派生した工学分野です。クライオエレクトロニクスは比較的新しい分野であり、革新的なアプリケーションを開発するために多くの研究が進行中です。

新しいテクノロジーの運命を決定する重要な要因は、その有用性と費用対効果です。コンピュータ、情報伝送路、心磁計など、クライオエレクトロニクスと超電導を利用できる電化製品やガジェットは、大きな商業的可能性を秘めています。科学者たちは、トンネル クライオトロン (超伝導で動作するスイッチ) を使用してコンピューターをより安価に大量生産するために、低温学に取り組んでいます。

クライオトロン (写真提供:ガリカ/ウィキメディア コモンズ)

広大な大都市では、架空送電線では電力を送電できないため、地中送電線が使われます。しかし、これらの地中ケーブルは、ワイヤ抵抗を増加させることによって熱くなり、電力の浪費を引き起こします。超伝導体 (内部抵抗がゼロの伝導体) は、ヘリウムや窒素などの極低温液体を使用することによっても達成できる電力スループットを向上させることによって、この電力の浪費を阻止すると宣伝されています。極低温を使用して送電用の超伝導を実現する方法を理解するために、いくつかの試験と実現可能性調査が進行中です。

クライオエレクトロニクスは、電流、電圧、および電力のより正確な読み取りと測定を可能にし、宇宙船や生物医学機器など、正確な制御を必要とする非常にエキサイティングなアプリケーションを見つけるかもしれません.

その他のアプリケーション

医学と電子工学の分野に加えて、極低温学は他の多くの分野にも応用されています。それらは、ロケットや宇宙船用の液体水素や液体酸素 (LOX) などの極低温燃料を生成するために使用されます。極低温冷凍は、大量の食品を長期間輸送および保管するために使用されます。液体窒素と二酸化炭素を使用した極低温技術は、人気のあるナイトクラブで見られる冷却効果と白い霧を生み出します。この魅力的な分野からのアプリケーションへの唯一の制限は、私たち自身の想像力です!