ในทางฟิสิกส์ วิทยาการด้านความเย็นยิ่งยวด (Cryogenics)คือการผลิตและการศึกษาพฤติกรรมของวัสดุที่อุณหภูมิต่ำ มาก

การประชุมนานาชาติว่าด้วยการทำความเย็น ครั้งที่ 13 ของ สถาบันการทำความเย็นนานาชาติ (IIR) (จัดขึ้นที่วอชิงตัน ดี.ซี. ในปี 1971) ได้รับรองคำจำกัดความสากลของคำว่า "ไครโอเจนิกส์" และ "ไครโอเจนิก" โดยยอมรับเกณฑ์ที่ 120 K (−153.15 °C) เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างคำเหล่านี้กับการทำความเย็นแบบดั้งเดิม^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}นี่เป็นเส้นแบ่งที่สมเหตุสมผล เนื่องจากจุดเดือด ปกติของ ก๊าซที่เรียกว่าก๊าซถาวร(เช่น ฮีเลียม ไฮโดรเจนนีออนไนโตรเจนออกซิเจนและอากาศปกติ)อยู่ต่ำกว่า 120 K ในขณะที่สารทำความเย็นฟรีออนไฮโดรคาร์บอนและสารทำความเย็นทั่วไปอื่นๆ มีจุดเดือดสูงกว่า120 K ^{[ 5 ] [ 6 ]}

การค้นพบ วัสดุ ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เกิดความสนใจใหม่ในวิธีการผลิตการทำความเย็นแบบไครโอเจนิกอุณหภูมิสูงที่เชื่อถือได้และต้นทุนต่ำ คำว่า "ไครโอเจนิกอุณหภูมิสูง" หมายถึงอุณหภูมิที่อยู่ระหว่างสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว −195.79 °C (77.36 K; −320.42 °F) จนถึง −50 °C (223 K; −58 °F) ^{[ 7 ]}การค้นพบคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดครั้งแรกนั้นมีที่มาจากHeike Kamerlingh Onnesเมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม พ.ศ. 2451 หลังจากที่พวกเขาสามารถเข้าถึงอุณหภูมิ 2 K ได้ คุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดครั้งแรกนี้ถูกสังเกตในปรอทที่อุณหภูมิ 4.2 K ^{[ 8 ]}

นักไครโอเจนิกส์ใช้ มาตราส่วนอุณหภูมิ เคลวินหรือแรงไคน์ซึ่งทั้งสองมาตราส่วนนี้วัดจากศูนย์สัมบูรณ์แทนที่จะใช้มาตราส่วนทั่วไป เช่นเซลเซียสซึ่งวัดจากจุดเยือกแข็งของน้ำที่ระดับน้ำทะเล^{[ 9 ] [ 10 ]}หรือฟาเรนไฮต์ซึ่งวัดจากจุดเยือกแข็งของสารละลายเกลือเฉพาะที่ระดับน้ำทะเล^{[ 11 ] [ 12 ]}

สาขาวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาอุณหภูมิต่ำมาก (อุณหภูมิต่ำพิเศษ เช่น ต่ำกว่า 123 เคลวิน) วิธีการผลิตอุณหภูมิเหล่านั้น และพฤติกรรมของวัสดุที่อุณหภูมิเหล่านั้น

สาขาชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิต่ำต่อสิ่งมีชีวิต (ส่วนใหญ่เพื่อจุดประสงค์ในการแช่แข็ง ) การประยุกต์ใช้อื่นๆ ได้แก่ การทำแห้งแบบเยือกแข็ง (lyophilization) ของส่วนประกอบยา^{[ 13 ]}และยา

การอนุรักษ์วัสดุพันธุกรรมโดยมีเจตนาเพื่ออนุรักษ์สายพันธุ์ การอนุรักษ์วัสดุพันธุกรรมไม่ได้จำกัดเฉพาะสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช่มนุษย์ บริการหลายแห่งให้บริการจัดเก็บพันธุกรรมหรือการเก็บรักษาสเต็มเซลล์ตั้งแต่แรกเกิด ซึ่งอาจนำไปใช้ในการศึกษาการสร้างสายเซลล์หรือการบำบัดด้วยสเต็มเซลล์^{[ 14 ]}

สาขาการผ่าตัดที่ใช้ความเย็นจัดเพื่อทำลายและฆ่าเนื้อเยื่อ เช่น เซลล์มะเร็ง โดยทั่วไปเรียกว่าไครโออะเบลชั่น^{[ 15 ]}

การศึกษาปรากฏการณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่อุณหภูมิเยือกแข็ง ตัวอย่างเช่นสภาพนำยิ่งยวดและการ กระโดดแบบช่วงแปรผัน

การแช่แข็งมนุษย์และสัตว์โดยมีเจตนาที่จะฟื้นคืนชีพในอนาคต บางครั้งคำว่า "Cryogenics" ถูกใช้ผิดเป็น "Cryonics" ในวัฒนธรรมสมัยนิยมและสื่อ^{[ 16 ]}

คำว่าไครโอเจนิกส์มีรากศัพท์มาจากภาษากรีกκρύος (ไครออส) – "เย็น" + γενής (เจนิส) – "กำเนิด"

ของเหลวไครโอเจนิกที่มีจุดเดือดในหน่วยเคลวิน^{[ 17 ]}และองศาเซลเซียส

ภาพแคตตาล็อกของวาล์วไครโอเจนิก

วาล์วไครโอเจนิกที่ติดตั้งอยู่ในตำแหน่งเดิม ถูกแช่แข็งอย่างรุนแรงจากความชื้นในบรรยากาศที่ควบแน่น

ก๊าซเหลวเช่นไนโตรเจนเหลวและฮีเลียมเหลวถูกนำมาใช้ในงานด้านความเย็นจัดหลายประเภท ไนโตรเจนเหลวเป็นธาตุที่ใช้กันมากที่สุดในงานด้านความเย็นจัดและสามารถซื้อขายได้อย่างถูกกฎหมายทั่วโลก ฮีเลียมเหลวก็เป็นธาตุที่ใช้กันทั่วไปเช่นกันและช่วยให้สามารถเข้าถึง อุณหภูมิที่ต่ำที่สุดเท่า ที่จะเป็นไปได้

ของเหลวเหล่านี้สามารถเก็บไว้ในขวดดิวาร์ซึ่งเป็นภาชนะสองชั้นที่มีสุญญากาศสูงระหว่างผนังเพื่อลดการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่ของเหลว ขวดดิวาร์ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการทั่วไปจะมีรูปทรงกลม ทำจากแก้วและหุ้มด้วยภาชนะโลหะด้านนอก ขวดดิวาร์สำหรับของเหลวที่เย็นจัด เช่น ฮีเลียมเหลว จะมีภาชนะสองชั้นอีกชั้นหนึ่งที่บรรจุไนโตรเจนเหลว ขวดดิวาร์ตั้งชื่อตามผู้คิดค้นคือเจมส์ ดิวาร์ชายผู้ที่ทำให้ไฮโดรเจน กลายเป็นของเหลว เป็น คนแรก ขวดเทอร์มอส เป็น ขวดสุญญากาศ ขนาดเล็กกว่า ที่บรรจุอยู่ในปลอกป้องกัน

ฉลากบาร์โค้ดไครโอเจนิกใช้สำหรับทำเครื่องหมายขวด Dewar ที่บรรจุของเหลวเหล่านี้ และจะไม่เกิดน้ำแข็งเกาะที่อุณหภูมิต่ำกว่า −195 องศาเซลเซียส^{[ 18 ]}

ปั๊มถ่ายโอนแบบไครโอเจนิกเป็นปั๊มที่ใช้ในท่าเทียบเรือ LNGเพื่อถ่ายโอนก๊าซธรรมชาติเหลวจากเรือบรรทุก LNGไปยังถังเก็บ LNGเช่นเดียวกับวาล์วไครโอเจนิก

สาขาไครโอเจนิกส์ก้าวหน้าขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อนักวิทยาศาสตร์พบว่าโลหะที่ถูกแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำแสดงความต้านทานต่อการสึกหรอมากขึ้น จากทฤษฎีการแข็งตัวด้วยไครโอเจ นิกนี้ อุตสาหกรรม การประมวลผลด้วยไครโอเจนิกเชิงพาณิชย์จึงก่อตั้งขึ้นในปี 1966 โดย Bill และ Ed Busch ด้วยพื้นฐานใน อุตสาหกรรม การอบชุบความร้อนพี่น้อง Busch ได้ก่อตั้งบริษัทในดีทรอยต์ชื่อ CryoTech ในปี 1966 ^{[ 19 ]}เดิมที Busch ทดลองความเป็นไปได้ในการเพิ่มอายุการใช้งานของเครื่องมือโลหะให้ยาวนานขึ้นระหว่าง 200% ถึง 400% ของอายุการใช้งานเดิมโดยใช้การอบชุบด้วยไครโอเจนิกแทนการอบชุบความร้อน^{[ 20 ]}สิ่งนี้พัฒนาไปสู่การบำบัดชิ้นส่วนอื่นๆ ในช่วงปลายทศวรรษ 1990

สารทำความเย็น เช่น ไนโตรเจนเหลวถูกนำไปใช้ในการทำความเย็นและการแช่แข็งแบบพิเศษ ปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง เช่น ปฏิกิริยาที่ใช้ในการผลิตสารออกฤทธิ์สำหรับ ยา statin ที่ได้รับความนิยม ต้องเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำประมาณ −100 °C (−148 °F) จึงมีการใช้ เครื่องปฏิกรณ์เคมี แบบไครโอเจนิกพิเศษ เพื่อกำจัดความร้อนจากปฏิกิริยาและสร้างสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ การแช่แข็งอาหารและผลิตภัณฑ์ทางชีวเทคโนโลยี เช่นวัคซีนจำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนในระบบการแช่แข็งแบบเร่งด่วนหรือการแช่แข็งแบบจุ่ม วัสดุที่อ่อนนุ่มหรือยืดหยุ่นบางชนิดจะแข็งและเปราะที่อุณหภูมิต่ำมาก ทำให้การบด ด้วยไครโอเจนิก ( cryomilling ) เป็นทางเลือกสำหรับวัสดุบางชนิดที่ไม่สามารถบดได้ง่ายที่อุณหภูมิสูงกว่า

กระบวนการแช่แข็งแบบไครโอเจนิกไม่ใช่สิ่งที่จะมาทดแทนการอบชุบด้วยความร้อน แต่เป็นการต่อยอดจากวัฏจักรการให้ความร้อน-การชุบแข็ง-การอบคืนตัว โดยปกติแล้ว เมื่อชิ้นงานถูกชุบแข็ง อุณหภูมิสุดท้ายจะอยู่ที่อุณหภูมิห้อง เหตุผลเดียวที่เป็นเช่นนั้นก็คือ โรงงานอบชุบด้วยความร้อนส่วนใหญ่ไม่มีอุปกรณ์ทำความเย็น อุณหภูมิห้องไม่มีผลต่อโลหะวิทยาอย่างมีนัยสำคัญ กระบวนการแช่แข็งแบบไครโอเจนิกจะดำเนินกระบวนการนี้ต่อเนื่องจากอุณหภูมิห้องลงไปถึง −320 °F (140 °R; 78 K; −196 °C) ในกรณีส่วนใหญ่ วัฏจักรการแช่แข็งแบบไครโอเจนิกจะตามด้วยกระบวนการอบคืนตัวด้วยความร้อน เนื่องจากโลหะผสมทุกชนิดไม่ได้มีส่วนประกอบทางเคมีเหมือนกัน กระบวนการอบคืนตัวจึงแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบทางเคมี ประวัติการให้ความร้อน และ/หรือการใช้งานเฉพาะของเครื่องมือ

กระบวนการทั้งหมดใช้เวลา 3-4 วัน

อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไครโอเจนิกส์คือเชื้อเพลิงไครโอเจนิกสำหรับจรวด โดยไฮโดรเจนเหลวเป็นตัวอย่างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีเทนเหลวเริ่มเป็นที่นิยมมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาออกซิเจนเหลว (LOX) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายยิ่งกว่า แต่ใช้เป็นสารออกซิไดเซอร์ไม่ใช่เชื้อเพลิง ยาน อวกาศสเป ซชัตเติลของนาซาใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน/ออกซิเจนไครโอเจนิกเป็นหลักในการขึ้นสู่วงโคจรนอกจากนี้ LOX ยังถูกใช้ร่วมกับ น้ำมันก๊าด RP-1ซึ่งเป็นไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่ไครโอเจนิก เช่น ในจรวดที่สร้างขึ้นสำหรับโครงการอวกาศของโซเวียตโดยเซอร์เกย์ โคโรเลฟ

บริษัทผู้ผลิตเครื่องบินของรัสเซียTupolev ได้พัฒนาเครื่องบิน รุ่น Tu-154ที่ได้รับความนิยมรุ่นหนึ่งโดยใช้ระบบเชื้อเพลิงไครโอเจนิก ซึ่งรู้จักกันในชื่อTu-155เครื่องบินลำนี้ใช้เชื้อเพลิงที่เรียกว่าก๊าซธรรมชาติเหลวหรือ LNG และทำการบินครั้งแรกในปี 1989 ^{[ 21 ]}

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีความเย็นยิ่งยวด:

• การเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) เป็นหนึ่งในวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการหาคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของอะตอม โดยการตรวจจับคลื่นความถี่วิทยุที่ถูกดูดซับและการคลายตัวของนิวเคลียสในสนามแม่เหล็ก นี่เป็นหนึ่งในเทคนิคการวิเคราะห์ที่ใช้กันทั่วไปและมีการประยุกต์ใช้ในหลายสาขา โดยหลักแล้ว สนามแม่เหล็กแรงสูงจะถูกสร้างขึ้นโดยการทำให้แม่เหล็กไฟฟ้าเย็นตัวยิ่งยวด แม้ว่าจะมีเครื่องสเปกโทรเมตรที่ไม่ต้องใช้สารทำความเย็นก็ตาม ในขดลวดโซลีนอยด์ตัวนำยิ่งยวดแบบดั้งเดิม จะใช้ฮีเลียมเหลวในการทำให้ขดลวดด้านในเย็นตัวลง เนื่องจากมีจุดเดือดประมาณ 4 เคลวินที่ความดันบรรยากาศ สามารถใช้ตัวนำยิ่งยวดโลหะราคาไม่แพงสำหรับการเดินสายขดลวดได้ สารประกอบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสามารถทำให้เป็นตัวนำยิ่งยวดได้โดยใช้ไนโตรเจนเหลว ซึ่งมีจุดเดือดประมาณ 77 เคลวิน
• การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) เป็นการประยุกต์ใช้ NMR ที่ซับซ้อน โดยการแยกส่วนเรขาคณิตของเรโซแนนซ์และนำมาใช้สร้างภาพวัตถุโดยการตรวจจับการคลายตัวของโปรตอนที่ถูกรบกวนด้วยคลื่นความถี่วิทยุในสนามแม่เหล็กแรงสูง วิธีนี้มักใช้ในทางการแพทย์เป็นส่วนใหญ่
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอเจนิก (cryoEM) เป็นวิธีการที่นิยมใช้ในชีววิทยาโครงสร้างเพื่อศึกษาโครงสร้างของโปรตีนเซลล์ และระบบชีวภาพอื่นๆ ตัวอย่างจะถูกแช่แข็งอย่างรวดเร็วในสารไครโอเจน เช่น อีเทนเหลวที่ทำให้เย็นด้วยไนโตรเจนเหลว จากนั้นจะรักษาอุณหภูมิไว้ที่ระดับ เดียวกับไนโตรเจนเหลวขณะที่ใส่เข้าไปในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อทำการถ่ายภาพ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเองก็ถูกทำให้เย็นด้วยไนโตรเจนเหลวเช่นกัน
• ในเมืองใหญ่ การส่งกระแสไฟฟ้า ด้วยสายเคเบิลเหนือพื้นดิน ทำได้ยากจึงต้องใช้สายเคเบิลใต้ดิน แต่สายเคเบิลใต้ดินจะร้อนขึ้นและความต้านทานของสายไฟจะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน ตัวนำยิ่งยวดอาจช่วยเพิ่มปริมาณการส่งกระแสไฟฟ้าได้ แต่จะต้องใช้ของเหลวแช่แข็ง เช่น ไนโตรเจนหรือฮีเลียม เพื่อระบายความร้อนให้กับสายเคเบิลที่มีส่วนผสมของโลหะผสมพิเศษ เพื่อเพิ่มการส่งกระแสไฟฟ้า มีการศึกษาความเป็นไปได้หลายครั้ง และสาขานี้เป็นหัวข้อของข้อตกลงภายในองค์การพลังงานระหว่างประเทศ

• ก๊าซไครโอเจนิกถูกนำมาใช้ในการขนส่งและเก็บรักษาอาหารแช่แข็ง ปริมาณมาก เมื่อต้องขนส่งอาหารปริมาณมากไปยังพื้นที่ต่างๆ เช่น เขตสงคราม พื้นที่ประสบภัยแผ่นดินไหว ฯลฯ อาหารเหล่านั้นจะต้องถูกเก็บรักษาไว้เป็นเวลานาน ดังนั้นจึงมีการใช้การแช่แข็งอาหารด้วยก๊าซไครโอเจนิก การแช่แข็งอาหารด้วยก๊าซไครโอเจนิกยังเป็นประโยชน์สำหรับอุตสาหกรรมแปรรูปอาหารขนาดใหญ่ด้วย
• กล้อง อินฟราเรด ( อินฟราเรดแบบมองไปข้างหน้า ) จำนวนมากจำเป็นต้องใช้ตัวตรวจจับที่ได้รับการระบายความร้อนด้วยความเย็นจัด
• เลือดบางกลุ่มที่มีหมู่เลือดหายาก จะถูกเก็บรักษาไว้ที่อุณหภูมิต่ำ เช่น -165 องศาเซลเซียส ในธนาคารเลือด
• เทคโนโลยีไครโอเจนิกส์โดยใช้ไนโตรเจนเหลวและคาร์บอนไดออกไซด์_เหลวได้ถูกนำมาใช้ใน ระบบเอฟเฟกต์ ของไนต์คลับเพื่อสร้างเอฟเฟกต์ความเย็นและหมอกสีขาวที่สามารถส่องสว่างด้วยแสงสีต่างๆ ได้
• การระบายความร้อนด้วยความเย็นจัดใช้ในการระบายความร้อนปลายเครื่องมือในระหว่างการตัดเฉือนในกระบวนการผลิตซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ ออกซิเจนถูกนำมาใช้ในหลายๆ ฟังก์ชันที่สำคัญในกระบวนการผลิตเหล็ก
• การแช่แข็งยางรถยนต์หรือยางรถบรรทุกในไนโตรเจนเหลวจะทำให้ยางเปราะและสามารถบดเป็นอนุภาคเล็กๆ ได้ อนุภาคเหล่านี้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่สำหรับสิ่งของอื่นๆ ได้
• การวิจัยเชิงทดลองเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์บางอย่าง เช่นสปินโทรนิกส์และคุณสมบัติการขนส่งทางแม่เหล็ก จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิเยือกแข็งเพื่อให้สามารถสังเกตผลกระทบได้
• วัคซีนบางชนิดต้องเก็บรักษาที่อุณหภูมิเยือกแข็ง ตัวอย่างเช่นวัคซีน COVID-19 ของ Pfizer–BioNTechต้องเก็บรักษาที่อุณหภูมิ −90 ถึง −60 °C (−130 ถึง −76 °F) (ดูห่วงโซ่ความเย็น ) ^{[ 23 ]}

การทำความเย็นอุปกรณ์และวัสดุด้วยความเย็นจัดมักทำได้โดยใช้ไนโตรเจนเหลวฮีเลียมเหลวหรือเครื่องทำความเย็นเชิงกล (ซึ่งใช้ท่อฮีเลียมแรงดันสูง) เครื่องทำความเย็น แบบ Gifford-McMahon , เครื่องทำความเย็นแบบท่อพัลส์และเครื่องทำความเย็นแบบ Stirlingเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเลือกใช้ตามอุณหภูมิฐานและความสามารถในการทำความเย็นที่ต้องการ การพัฒนาล่าสุดในด้านความเย็นจัดคือการใช้แม่เหล็กเป็นตัวสร้างความร้อนและตัวทำความเย็น อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานบนหลักการที่เรียกว่าปรากฏการณ์ แมกเนโตแคลอริก

มีเครื่องตรวจจับอนุภาคแบบไครโอเจนิก หลายชนิด ที่ใช้ในการตรวจจับอนุภาค

สำหรับการวัดอุณหภูมิเยือกแข็งลงไปถึง 30 K จะใช้เซ็นเซอร์ Pt100 ซึ่งเป็นตัวตรวจจับอุณหภูมิแบบความต้านทาน (RTD)สำหรับอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 30 K จำเป็นต้องใช้ไดโอดซิลิคอนเพื่อให้ได้ความแม่นยำ

• ศูนย์สัมบูรณ์
• อุณหภูมิต่ำที่สุดที่เคยบันทึกไว้บนโลก
• การบดด้วยความเย็นจัด
• การแช่แข็งแบบฉับพลัน
• อาหารแช่แข็ง

• Haselden, GG (1971), หลักการพื้นฐานของระบบแช่แข็ง , Academic Press, นิวยอร์ก, ISBN 0-12-330550-0.