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知识图解:探索低温学的奥秘

2016-08-30 来源:国外网站推荐 - 由[国外网站大全]整理 496

在极低的温度下,物质会开始出现奇特而神秘的性质。低温学是研究极低温度的一门科学。这个领域的研究目标是了解如何产生与维持绝对温度123度或是摄氏-150度以下的低温,同时研究在这种低温环境下,各种物理、化学及生物作用会产生什么变化。

知识图解:探索低温学的奥秘

分子的随机运动会产生热,而温度只要下降,分子运动就会开始变慢。但根据热力学定律,这种情况并不会永远持续下去,一旦到达某个极限,分子就会完全停止热运动;这个极限被称为绝对零度或0K(相当于摄氏-273.15度),也就是可能达到的最冷温度。

当物质的温度接近绝对零度时,其性质会大幅改变,例如氮气与氧气等永久气体达到绝对温度数十度时会变成液体,可作为太空船燃料,或用于快速冷却食物以供保存,甚至能应用在外科手术,移除受损细胞;铌合金(niobium alloy)降至接近绝对零度时,会完全失去电阻而成为超导体,能用来制造强大的电磁铁,将次原子粒子(subatomic particle)加速到接近光速。而当温度降至绝对温度2.19度,甚至是更低时,液态氦会失去黏度而变成超流体(superfluid),超流体的特性非常神奇,能够沿着玻璃烧杯往上流。

让我们一同探索低温学的奥秘,深入了解这个正将科学极限推向另一个境界的学问。

用低温电子学为欧洲核子研究组织保冷

通过导体的电流会受阻于物质的电阻,但是当某些金属的温度下降时,其电阻也会跟着降低。在某些情况下,导体处于超低温时,其电阻会突然降至零,因而变成超导体。

欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)之中导引粒子束运行的主要电磁铁被液态氦冷却至绝对温度1.9度(相当于摄氏-271.3度) ,这比在外太空还冷,因此电阻会完全消失,以防止能量转为热能逸失。

低温电子学

冰冻死人

低温学vs 人体冷冻技术

谈到低温学(cryogenics),许多人脑中浮现的第一个画面是尸体被保存在冷冻柜,期待有朝一日能复活。科幻片让这种想法大为风行,而且美国已有专门机构负责进行这种服务,但冷冻尸体的技术目前仍非常缺乏科学根据。

科学家很谨慎地将低温学与冷冻尸体的过程──也就是所谓的人体冷冻技术(cryonics)──加以区隔;在准备接受人体冷冻技术的病人死亡后,他的血液将被一些化学混合液取代,目的是在冷冻过程中保护脆弱的细胞。

完成以上的程序后,会用液态氮冷冻人体,并将人体放入储存槽内。负责进行人体冷冻的公司不须经过科学或医学认证,冷冻过程中的某些工作什至可能由志工进行。

冰冻人体确实是个令人振奋的构想,但目前还没有证据显示这种人体冷冻技术能够奏效。

提供火箭燃料

低温学的主要应用范围之一是太空旅行;第一部使用低温燃料推动的火箭是美国航太总署(NASA)的半人马座火箭(Centaur)的末段引擎,于1963年成功发射。

最常用的成对低温燃料是液态氢(LH2),而液态氧(LO2 或LOX)则用来助燃。氢气是很轻的气体,在氧气中能完全燃烧,将这两种气体冷却至极低温后,可将更多燃料挤入燃料槽。

燃料槽在太空飞行期间会曝露在不同的热源之下,像是引擎废气、太空船摩擦大气层产生的热,还有来自太阳的热。为了让燃料保持液态,燃料槽不但要有良好的绝热能力,同时也要能忍受内部液体燃料的极端低温。

一般而言,这些燃料都装载于重金属槽,不过NASA与波音公司都致力于发展革命性的综合材质燃料槽,将比标准低温槽轻30%。未来这些燃料槽将能携带更多燃料,使太空船能飞到太空中更远的地方。

让金属更坚韧

当金属从液态冷却成为固态时,会形成晶体结构,个别原子也会排列成有规律的晶格,但这种方式通常会产生缺陷。传统上会用热处理来补救,也就是让金属再变回液体,以减低压力、填补空隙,但这种工序并不够完全。只要运用低温学,热处理钢无法补救的缺陷与应力都能被去除。

热处理之后,金属被缓慢冷却至接近绝对零度;这个工序允许结构内部的特定成分移动,以填补微观缺陷,使结构更为均匀。这种方式能减低应力,产生更紧密、更具韧性的金属。经过冷处理的金属能用来制造高尔夫球杆与棒球棒;金属的结构越紧密,振动越小,也就会传递越多能量给球。

金属与绝对低温

治疗运动伤害

并非所有低温冷冻技术都已发展成熟,如同体育界最近才兴起所谓的「全身性低温疗法」(whole-body cryotherapy)。过去是用冰敷或浸泡冷水来治疗运动伤害,而这种新疗法则是透过让患者在低温室里冷却全身,以减轻运动伤害、肌肉与关节疼痛或是关节炎等症状;这种疗法奠基于日本在1970年代的一项研究。和水相较之下,空气的导热能力较差,因此与传统泡冷水的方法比起来,待在低温室时,身体的核心温度受到影响的机率较低。

患者在进入以氮气冷却的房间后,会曝露在低于摄氏-100度的环境下约三分钟。患者的四肢有衣服、手套、袜子、面罩和内衣覆盖,但其他部位的皮肤就会曝露在极低温之下。此时身体的自然反应是切断对皮肤的血液供应,并将血液导向核心部位,让热量的流失降至最低,并维持适当的体温。这种疗法的副作用是让大脑释出称为脑内啡的天然止痛剂,使人忘却疼痛、感到愉快。

治疗关节炎

冷疗(Cryotherapy)的研究是为了治疗关节炎之类的病症。曝露在低温下可减缓神经传导,透过降低肌梭的反应,将有助于减低肌肉痉挛;这种现象在生活中能轻易验证,只要试想当你从天寒地冻的户外进入室内后,尝试用冻僵的手指解开你的上衣钮扣。

寒冷的温度也被认为能降低发炎关节里具破坏性的酵素的活性,这种酵素叫做胶原酶,胶原酶会破坏骨头上具保护功能的胶原蛋白软骨。

针对许多关节功能失调病患的研究显示,冷疗能暂时降低患者的疼痛感,并维持大约90分钟,让病患有空档在这段时间内进行物理疗法或是其他介入疗法,否则患者在治疗过程中可能会感到非常不舒服。由此可知,即使冷疗不具有长期疗效,但是在与其他疗法结合之后,仍然有显著的医疗效益。

冷疗手术

极低温带来的破坏作用已被应用于医学治疗;液态氮的极低温度现今普遍用在消除疣或癌细胞等异常细胞。

这种疗法的进行方式会根据不同状况而有些微差异,可能会利用棉花棒、喷枪,或是名为冷冻探头(cryoprobe)的中空管将液态氮直接喷洒于身体受感染的部位。

冷疗手术会迅速将受伤的组织冷冻,并消灭掉异常细胞。这种疗法比药物治疗更为精确,可能伤及的周围组织和疼痛感也会比外科手术更小。

冷疗手术原理

超低温保存法

在极低温之下,生物程序会近乎停止;缺乏热能导致酵素活性趋缓,活细胞几乎能被无限期保存。

不过,活细胞的超低温保存准备工作绝非易事。细胞的微观结构相当脆弱,因此可能在低温时被内部膨胀的水分胀破、变成碎片;当水形成冰后,溶解出的离子、盐分和其他分子也会浓缩,扰乱细胞内原本的化学平衡。

低温保护剂(cryoprotectant)这种化学物会被用来保护细胞,以避免上述的情况发生;其中的甘油、二甲基亚碸(dimethyl sulfoxide,简称DMSO)或糖会被用来取代水分,阻止冰晶形成,或改变其形状与大小。接着会用液态氮迅速冷却细胞,使其越过所谓的玻璃转化温度(glass transition temperature),之后水分就会冻结成一种像玻璃而不像冰的固体,然后这些细胞就能安全地贮存在低温的液态氮蒸汽里。

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