Cryogenics được định nghĩa là nghiên cứu khoa học về vật liệu và hành vi của chúng ở nhiệt độ cực thấp. Từ này xuất phát từ tiếng Hy Lạp cryo , có nghĩa là “lạnh” và genic , có nghĩa là “sản xuất”. Thuật ngữ này thường gặp trong bối cảnh vật lý, khoa học vật liệu và y học. Một nhà khoa học nghiên cứu về đông lạnh được gọi là nhà đông lạnh học . Vật liệu đông lạnh có thể được gọi là chất làm lạnh . Mặc dù nhiệt độ lạnh có thể được báo cáo bằng bất kỳ thang đo nhiệt độ nào, nhưng thang đo Kelvin và Rankine là phổ biến nhất vì chúng là thang đo tuyệt đối có số dương.
Chính xác thì một chất phải lạnh đến mức nào để được coi là “làm đông lạnh” là một vấn đề đang được cộng đồng khoa học tranh luận. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) coi chất làm lạnh bao gồm nhiệt độ dưới −180 °C (93,15 K; −292,00 °F), là nhiệt độ mà trên đó các chất làm lạnh thông thường (ví dụ: hydro sunfua, freon) là khí và dưới đó “khí vĩnh cửu” (ví dụ: không khí, nitơ, oxy, neon, hydro, heli) là chất lỏng. Ngoài ra còn có một lĩnh vực nghiên cứu gọi là “đông lạnh ở nhiệt độ cao”, liên quan đến nhiệt độ trên điểm sôi của nitơ lỏng ở áp suất thường (−195,79 °C (77,36 K; −320,42 °F), lên đến −50 °C (223,15 K; −58,00 °F).
Đo nhiệt độ của chất làm lạnh cần có cảm biến đặc biệt. Máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) được sử dụng để thực hiện các phép đo nhiệt độ thấp tới 30 K. Dưới 30 K, điốt silicon thường được sử dụng. Máy dò hạt đông lạnh là cảm biến hoạt động trên độ không tuyệt đối vài độ và được sử dụng để phát hiện photon và hạt cơ bản.
Chất lỏng đông lạnh thường được lưu trữ trong các thiết bị gọi là bình Dewar. Đây là những thùng chứa hai lớp có khoảng chân không giữa các bức tường để cách nhiệt. Bình khử sương được thiết kế để sử dụng với chất lỏng cực lạnh (ví dụ: helium lỏng) có một bình chứa cách nhiệt bổ sung chứa đầy nitơ lỏng. Bình Dewar được đặt tên theo nhà phát minh của họ, James Dewar. Các bình cho phép khí thoát ra khỏi bình chứa để tránh tích tụ áp suất do sôi có thể dẫn đến nổ.
Các chất lỏng sau đây thường được sử dụng nhất trong đông lạnh:
| Dịch | Điểm sôi (K) |
| Heli-3 | 3.19 |
| Heli-4 | 4.214 |
| hydro | 20.27 |
| đèn neon | 27.09 |
| nitơ | 77.36 |
| Không khí | 78,8 |
| flo | 85,24 |
| Argon | 87,24 |
| Ôxy | 90.18 |
| mêtan | 111,7 |
Có một số ứng dụng của cryogenics. Nó được sử dụng để sản xuất nhiên liệu đông lạnh cho tên lửa, bao gồm hydro lỏng và oxy lỏng (LOX). Các trường điện từ mạnh cần thiết cho cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) thường được tạo ra bởi các nam châm điện siêu lạnh có chất làm lạnh. Chụp cộng hưởng từ (MRI) là một ứng dụng của NMR sử dụng helium lỏng. Camera hồng ngoại thường xuyên yêu cầu làm mát bằng phương pháp đông lạnh. Đông lạnh thực phẩm được sử dụng để vận chuyển hoặc lưu trữ một lượng lớn thực phẩm. Nitơ lỏng được sử dụng để tạo sương mù cho các hiệu ứng đặc biệt và thậm chí cả các loại cocktail và thức ăn đặc biệt. Làm đông lạnh vật liệu bằng cách sử dụng chất làm lạnh có thể làm cho chúng đủ giòn để có thể bẻ thành các mảnh nhỏ để tái chế. Nhiệt độ đông lạnh được sử dụng để lưu trữ các mẫu mô và máu và để bảo quản các mẫu thí nghiệm. Làm lạnh chất siêu dẫn bằng phương pháp đông lạnh có thể được sử dụng để tăng khả năng truyền tải điện năng cho các thành phố lớn. Xử lý đông lạnh được sử dụng như một phần của một số phương pháp xử lý hợp kim và để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp (ví dụ: để sản xuất thuốc statin). Cryomilling được sử dụng để nghiền các vật liệu có thể quá mềm hoặc đàn hồi để nghiền ở nhiệt độ bình thường. Việc làm lạnh các phân tử (xuống tới hàng trăm nano Kelvin) có thể được sử dụng để hình thành các trạng thái kỳ lạ của vật chất. Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (CAL) là một công cụ được thiết kế để sử dụng trong môi trường vi trọng lực nhằm tạo thành chất ngưng tụ Bose Einstein (nhiệt độ khoảng 1 pico Kelvin) và thử nghiệm các định luật của cơ học lượng tử và các nguyên tắc vật lý khác.
Cryogenics là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm một số lĩnh vực, bao gồm:
Cryonics – Cryonics là bảo quản lạnh động vật và con người với mục tiêu hồi sinh chúng trong tương lai.
Phẫu thuật lạnh – Đây là một nhánh của phẫu thuật trong đó nhiệt độ đông lạnh được sử dụng để tiêu diệt các mô ác tính hoặc không mong muốn, chẳng hạn như tế bào ung thư hoặc nốt ruồi.
Cryoelectronic s – Đây là nghiên cứu về tính siêu dẫn, bước nhảy trong phạm vi thay đổi và các hiện tượng điện tử khác ở nhiệt độ thấp. Ứng dụng thực tế của điện tử lạnh được gọi là điện tử lạnh .
Cryobiology – Đây là nghiên cứu về tác động của nhiệt độ thấp đối với sinh vật, bao gồm bảo quản sinh vật, mô và vật liệu di truyền bằng cách sử dụng bảo quản lạnh .
Trong khi quá trình đông lạnh thường liên quan đến nhiệt độ dưới điểm đóng băng của nitơ lỏng nhưng cao hơn nhiệt độ không độ tuyệt đối, các nhà nghiên cứu đã đạt được nhiệt độ dưới độ không tuyệt đối (cái gọi là nhiệt độ Kelvin âm). Vào năm 2013, Ulrich Schneider tại Đại học Munich (Đức) đã làm lạnh khí xuống dưới độ không tuyệt đối, được cho là khiến nó nóng hơn thay vì lạnh hơn!
- Braun, S., Ronzheimer, JP, Schreiber, M., Hodgman, SS, Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) “Nhiệt độ tuyệt đối âm đối với bậc tự do chuyển động”. Khoa học 339 , 52–55.
- Gantz, Carroll (2015). Điện lạnh: Lịch sử . Jefferson, Bắc Carolina: McFarland & Company, Inc. p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
- Nash, JM (1991) “Thiết bị mở rộng xoáy cho chất làm lạnh ở nhiệt độ cao”. Proc. của Hội nghị Kỹ thuật Chuyển đổi Năng lượng Liên xã hội lần thứ 26 , Tập. 4, trang 521–525.