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低溫學的奧秘──《知識大圖解》

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Photo credit: ChefSteps @Flickr

在極低的溫度下,物質會開始出現奇特而神祕的性質。

低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫,同時研究在這種低溫環境下,各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。

分子的隨機運動會產生熱,而溫度只要下降,分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律,這種情況並不會永遠持續下去,一旦到達某個極限,分子就會完全停止熱運動;這個極限被稱為絕對零度或0K(相當於攝氏-273.15度),也就是可能達到的最冷溫度。

當物質的溫度接近絕對零度時,其性質會大幅改變,例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體,可作為太空船燃料,或用於快速冷卻食物以供保存,甚至能應用在外科手術,移除受損細胞;鈮合金(niobium alloy)降至接近絕對零度時,會完全失去電阻而成為超導體,能用來製造強大的電磁鐵,將次原子粒子(subatomic particle)加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度,甚至是更低時,液態氦會失去黏度而變成超流體(superfluid),超流體的特性非常神奇,能夠沿著玻璃燒杯往上流。

讓我們一同探索低溫學的奧祕,深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。

用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷

通過導體的電流會受阻於物質的電阻,但是當某些金屬的溫度下降時,其電阻也會跟著降低。在某些情況下,導體處於超低溫時,其電阻會突然降至零,因而變成超導體。

歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度(相當於攝氏-271.3度),這比在外太空還冷,因此電阻會完全消失,以防止能量轉為熱能逸失。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

冰凍死人

低溫學vs人體冷凍技術

談到低溫學(cryogenics),許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃,期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行,而且美國已有專門機構負責進行這種服務,但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。

科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術(cryonics)──加以區隔;在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後,他的血液將被一些化學混合液取代,目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。

完成以上的程序後,會用液態氮冷凍人體,並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證,冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。

冰凍人體確實是個令人振奮的構想,但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。

提供火箭燃料

低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行;第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署(NASA)的半人馬座火箭(Centaur)的末段引擎,於1963年成功發射。

最常用的成對低溫燃料是液態氫(LH2),而液態氧(LO2 或LOX)則用來助燃。氫氣是很輕的氣體,在氧氣中能完全燃燒,將這兩種氣體冷卻至極低溫後,可將更多燃料擠入燃料槽。

燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下,像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱,還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態,燃料槽不但要有良好的絕熱能力,同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。

一般而言,這些燃料都裝載於重金屬槽,不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽,將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料,使太空船能飛到太空中更遠的地方。

讓金屬更堅韌

當金屬從液態冷卻成為固態時,會形成晶體結構,個別原子也會排列成有規律的晶格,但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救,也就是讓金屬再變回液體,以減低壓力、填補空隙,但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學,熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。

熱處理之後,金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度;這個工序允許結構內部的特定成分移動,以填補微觀缺陷,使結構更為均勻。這種方式能減低應力,產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒;金屬的結構越緊密,振動越小,也就會傳遞越多能量給球。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

治療運動傷害

並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟,如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」(whole-body cryotherapy)。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害,而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身,以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀;這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下,空氣的導熱能力較差,因此與傳統泡冷水的方法比起來,待在低溫室時,身體的核心溫度受到影響的機率較低。

患者在進入以氮氣冷卻的房間後,會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋,但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應,並將血液導向核心部位,讓熱量的流失降至最低,並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑,使人忘卻疼痛、感到愉快。

治療關節炎

冷療(Cryotherapy)的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導,透過降低肌梭的反應,將有助於減低肌肉痙攣;這種現象在生活中能輕易驗證,只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後,嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。

寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性,這種酵素叫做膠原酶,膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。

針對許多關節功能失調病患的研究顯示,冷療能暫時降低患者的疼痛感,並維持大約90分鐘,讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法,否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知,即使冷療不具有長期療效,但是在與其他療法結合之後,仍然有顯著的醫療效益。

冷療手術

極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療;液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。

這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異,可能會利用棉花棒、噴槍,或是名為冷凍探頭(cryoprobe)的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。

冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍,並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確,可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

超低溫保存法

在極低溫之下,生物程序會近乎停止;缺乏熱能導致酵素活性趨緩,活細胞幾乎能被無限期保存。

不過,活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱,因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片;當水形成冰後,溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮,擾亂細胞內原本的化學平衡。

低溫保護劑(cryoprotectant)這種化學物會被用來保護細胞,以避免上述的情況發生;其中的甘油、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide,簡稱DMSO)或糖會被用來取代水分,阻止冰晶形成,或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞,使其越過所謂的玻璃轉化溫度(glass transition temperature),之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體,然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號)

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