Věda       Akademon       Vesmír       Osel       AVO       Fyzikální ústav AVČR TOPlist
Laboratorní průvodce - na titulní stranu
Užitečné pomůcky:   Tabulky        Encyklopedie        Nástroje 
Katalog dodavatelů:   Rubriky        Firmy        Zastoupení        Laboratorní přístroje 
Ostatní:       Titulní strana        Zajímavé odkazy        O nás        E-obchody 
Nástěnka : Chlazené laboratorní inkubátory LBT 168,, předváděcí přístroje z výstavy, 100% stav,...
Kalendář : 10.8.17: Webinar: Essential Tools for the Life Science Laboratory, webinář
Reklama
Už jste se přiblížili k Absolutní nule?

Jistě jste se již setkali s tvrzením, že k měření vzorku bylo zapotřebí měřit při teplotě blízké absolutní nule. Ano, ale tušíte, jak se takové teploty dá dosáhnout? Zde Vám nabídneme malý úvod do problematiky nízkých teplot.

Datum: 20.10.2015

kryogenika, absolutní nula, tekutý dusík


 

Sdílet na Facebooku   Odeslat na Twitter

Nízké teploty - snižují biologickou degradaci vzorků a obecně snižují tepelný šum při měření. Zatímco ke snížení biologické degradace vzorků stačí běžná chladnička či mraznička, ke snížení teplotního šumu či dosažení tak nízké teploty, že se změní skupenství látky (zkapalní či ztuhne) již s běžným vybavením nevystačíme.

Začněme s malým úvodem do problematiky.
Teplota se začíná měřit od hypotetického stavu absolutní nuly, která má hodnotu -273,15 °C. Zde také začíná stupnice v Kelvinech: -273,15 °C = 0 Kelvinů (někdy se také říká stupňů Kelvina).
Absolutní nula znamená termodynamický stav, při němž ustane pohyb všech částic. Tedy stav, kdy z látky již nejde odebírat žádné teplo. Jde o stav s nejnižší možnou energií, nikoliv však nutně nulovou (zbývající kvantově mechanické stavy). Při teplotách blízkých absolutní nule se již jen obtížně předává tepelná energie mezi částicemi a objevují se tak jinak nevídané jevy jako supravodivost a supratekutost (el. vodivost bez odporu a tekutost bez viskozity).
K absolutní nule se lze jen limitně přibližovat odebíráním energie částic, ale nikdy jí nedosáhneme. V současnosti je rekordem teplota kolem 100 pikokelvinů (1E-10 K).

Sympatické je, že stupeň Kelvina je roven stupni Celsia a není potřeba nějakých složitých přepočtů jako např. u stupnice Fahrenheitovy.
Pojem kryogenika (z řeckého kryos=chladný) není přesně definovaný, ale obvykle se jím myslí teploty pod -180 °C, kdy již běžné sloučeniny (komerční název Freon - chlorofluorocarbons (CFCs)) zamrzají a k chlazení je nutno použít vzácných plynů (např. helium, neon apod.). K chlazení se používají běžné termodynamické chladiče na bázi stlačení a následného rozepnutí plynu (Carnotův cyklus).

Pro dosažení běžných chladných teplot, používaných např. v biochemii, se používá normálních mrazniček (cca do -30 °C) a pro nižší teploty již speciálních laboratorních mrazniček. Pokud Vás zajímají různé varianty modernějších termodynamických chladičů, nebudeme je zde popisovat - od toho slouží Wikipedie:
* pulse tube refrigerator (PTR).
* Stirling engine.
* Cryo coolers obecně.

Pro dosažení nízkých teplot běžně používaných v laboratoři se používá tekutý dusík (-195.795 °C). Ten se vyrábí frakční destilací tekutého vzduchu (jednotlivé složky se vypařují při různých teplotách). Tekutý dusík se kupuje od dodavatelů a přepravuje se v tzv. Dewarových nádobách, což jsou obdoby klasických termosek (dvouplášťový obal z nerezi s vakuem uvnitř) a manipuluje se s ním pomocí malých nádobek z polystyrenu.
Cena tekutého dusíku není nijak závratná (20 Kč/litr ) a tak je tekutý dusík běžně používanou surovinou v laboratořích.

Potřebujeme-li ještě nižší teploty, pak už to není tak jednoduché. Obvykle musíme použít tekuté hélium (-269 °C = 4 K - přesná teplota závisí na izotopu hélia, tlaku vzduchu apod.). Specificky izotop 4He má teplotu varu 0,6 K při tlaku 25 atmosfér. Je zřejmé, že manipulace s tekutým héĺiem již není tak jednoduchá, jako s dusíkem. Dewarovy nádoby pro přepravu tekutého hélia již mají často víceplášťový obal s jednou vrstvou vyplněnou tekutým dusíkem.
Cena tekutého hélia není také nijak závratná (120 Kč/litr ), ale běžně se v laboratořích nepoužívá, protože není zapotřebí tak nízkých teplot. Používá se ale např. k dosažení supravodivosti u magnetické rezonance (MRI) v lékařství.

Chceme-li se přiblížit ještě více k absolutní nule, tak se připravme na mohutné a speciální vybavení. S běžným termodynamickým chladičem již nevystačíme.

Relativně ještě schůdná je metoda 3He/4He dilution refrigerator. Zde využijeme fázové separace mezi dvěma izotopy hélia. Za nízkých teplot kolem 870 mK vytvoříme směs izotopů 3He/4He a pomocí udržování vhodné teploty a tlaku par příslušného izotopu ji udržujeme v rovnováze. Pak rovnovážný stav změníme. Dojde k lavinovitému jevu separace obou izotopů, což má za následek prudké ochlazení. Celkem standardně se touto metodou dá dosáhnout 0,3 K, ale rekordně se s ní podařilo dosáhnout až 2 mK. Popsaná metoda je zde:
* Dilution refrigerator.

K nižší teplotě můžeme použít adiabatic demagnetization refrigerator (ADR), který funguje podobně jako termodynamický chladič, ale namísto rozepnutí stlačeného média využívá uvolnění magnetických dipólů, které byly předtím zorientovány jedním směrem pomocí silného magnetického pole (kolem 1 Tesla). Jako chladič v tomto adiabatickém ději (děj, kdy nedochází k výměně tepla s okolím) se používá tekuté hélium. Celému tomuto jevu se říká magnetocaloric effect (MCE). Nejúčinnější je u ferromagnetických látek (ideálně sloučeniny gadolinia), ale lze jej použít i u paramagnetických látek a dokonce i u diamagnetických látek. Pak již vstupuje na scénu magnetizace spinů jádra - nuclear demagnetization refrigeration (NDR). S pomocí této techniky se podařilo dosáhnout teploty kolem 1 až 100 mK. Popsaná metoda je zatím ve stádiu výzkumu a více se můžete dočíst zde:
* Magnetic_refrigeration.

Další metodu, kterou můžeme použít, je tzv. Laser cooling. Laser cooling má několik podvariant, ale nejpoužívanější je tzv. Doppler cooling. Podstatou je, že atom ozáříme dvěma lasery z různých směrů světlem, které je mírně posunuto "do červena" oproti světlu, jehož vlnovou délku může atom absorbovat. Díky Dopplerovu efektu atom přece jen občas nějaký foton absorbuje a pak jej vyzáří na své normální frekvenci - tedy fotonem s energií vyšší, než je energie absorbovaného fotonu. Tento rozdíl energie vede ke snížení pohybu atomu. S pomocí této techniky se podařilo dosáhnout teplot kolem několika desítek mikrokelvinů. Popsaná metoda je stále zkoumána a více se můžete dočíst zde:
* Laser_cooling

Stojí za poznamenání, že chlazení na velice nízké teploty v praxi úzce souvisí s objemem vzorku. Ochladit miniaturní vzorek stojí několikařádově menší úsilí (časové, energetické), než ochladit vzorek třeba jen dvojnásobné velikosti. Proto se při experimentech používají vzorky co nejmenší, aby je ještě vůbec bylo možno k danému testu použít.


Autor: RNDr. Mojmír Adamec, Laboratorní průvodce.
Hledání:
 
(fulltextové vyhledávání na stránkách tohoto serveru)

Reklama

Reklama