Криогеника – физика низких температур

Криогеника – это наука по исследованию и использованию материалов при чрезвычайно низких температурах. Такие низкие температуры вызывают изменения физических свойств материалов, которые позволяют использовать их в необычных инженерных, промышленных и медицинских целях. Например, в области криогенных температур воздух становится жидким или даже твердым, и живая ткань мгновенно замерзает. Материя ведет себя странно при самых низких температурах криогенного диапазона. В медицине криогенное охлаждение используется в некоторых диагностических методах, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ). Криохирургия использует жидкий азот для уничтожения нездоровой ткани путем ее замораживания. Ожидается, что криогеника будет играть важную роль в разработке прогрессивных методов сохранения человеческих органов для трансплантации.

Как была изобретена криогеника

Британские химики Майкл Фарадей (1791-1867) и сэр Хамфри Дэви (1778-1829) провели в свое время новаторские работы в области физики низких температур, что привело к развитию основных понятий криогенности.

В 1877 году французский горный инженер Луис Пол Кайлетт объявил, что он научился производить в небольших количествах сжиженные газы. В своих исследованиях ученый собрал кислород в прочном контейнере и охладил его путем испарения (высыхания) диоксида серы в контакте с контейнером. Затем он сжал кислород как можно больше с помощью своего оборудования и внезапно уменьшил давление, в результате чего кислород расширился. Внезапное охлаждение привело к образованию нескольких капель жидкого кислорода.

Потребность в способе хранения сжиженных газов привела к еще одному важному развитию в области криогеники. В 1891 году шотландский химик Джеймс Дьюар (1842-1923) изобрел контейнер, известный сегодня как «колба Дьюара». Колба Дьюара на самом деле представляет собой две колбы, одна в другой, разделенные вакуумом. Внутренняя часть внешней колбы и внутренняя колба снаружи покрыта серебром. Вакуум и посеребренные стороны контейнера предназначены для предотвращения прохождения тепла.

Дьюар был первым человеком, научившимся сжижать водород. В 1908 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес (1853-1926, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года) изобрел способ по сжижению гелия. Он сжижал его при самой низкой температуре, когда-либо достигнутой в лаборатории до этого времени, 4,2 градуса по Кельвину, что стало важной вехой в истории криогеники. С этого достижения повышенное внимание учеными было уделено изучению физических явлений веществ при очень низких температурах.

Описание криогенных процессов

Вещество обычно охлаждается под действием чего-либо более холодного. Однако, чтобы сделать суперохлажденное вещество, необходимо также удалить из него тепло и это вещество должно быть изолировано (заключено в оболочку). Важным методом криогенного переохлаждения является сжижение газов и использование этих газов для охлаждения других веществ. Одним из способов экстремального охлаждения является превращение в жидкость газа, который может быть сжижен только давлением. Затем газ, требующий более низкой температуры, чтобы он стал жидкостью, помещают в контейнер и погружают в охладитель. Газ, который уже сжижается, охлаждается второй раз и превращается в жидкость. После нескольких повторений этого процесса газ сжижается. Колба Дьюара обычно используется для хранения таких очень низкотемпературных сжиженных газов.

С 1930-х годов криогенное охлаждение чаще всего достигалось с помощью магнитных средств. В 1926 году канадский химик Уильям Фрэнсис Гиаук предположил, что если бы беспорядочное движение электронов в веществе можно бы было остановить или замедлить, то вещество тут же бы остыло. Его эксперименты доказали эту теорию. При охлаждении путем размагничивания для придания внешней энергии, необходимой для выравнивания молекул парамагнитного вещества (одного из парамагнитных ионов), задействованы силы магнетизма. Это также повышает температуру, но в то же время вещество охлаждается. Когда вещество остывает до начальной температуры, магнитное поле удаляется. Это заставляет ионы возобновить свое беспорядочное движение. Энергия, которую ионы используют для движения, исходит из тепловой энергии вещества, что приводит к падению температуры вещества.

Применение криогеники в медицине

Жидкий азот является одним из самых безопасных охлаждающих агентов. В медицине он используется для уничтожения нездоровых тканей путем их замораживания. Криогенные процессы также применяют для хранения глазных роговиц, крови и спермы для будущих хирургических процедур. Некоторые эмбрионы также были заморожены и сохранены для последующей имплантации женщинам.

Что такое криохирургия

В 1961 году американский хирург Ирвинг С. Купер представил метод замораживания под названием криохирургия. Криохирургия относительно бескровна, потому что используемые низкие температуры сжимают кровеносные сосуды. Используются специальные инструменты, которые имеют замораживающие наконечники для уничтожения поврежденной ткани и щиты для защиты окружающей ткани. Купер использовал криохирургию для замораживания и разрушения поврежденной ткани в мозге пациентов с болезнью Паркинсона. С тех пор криохирургия нашла много применений. Она используется для восстановления сетчатки глаза и удаления катаракты, лечения рака печени и рака предстательной железы.

Криохирургия также широко применяется в области дерматологии, гинекологии, пластической хирургии, ортопедии и подиатрии. Криохирургия также успешно используется более 30 лет в области ветеринарии.

Автор статьи: Валерий Викторов, «Портал Московская медицина»©

Отказ от ответственности: Информация, представленная в этой статье про криогенику, предназначена только для информирования читателя. Она не может быть заменой для консультации профессиональным медицинским работником.