Kriyokimya

Kriyokimya, kimyasal etkileşimlerin −150 °C (123 K) altındaki sıcaklıklarda incelendiği kimya dalıdır."Kriyokimya" terimi, Yunanca "soğuk" anlamına gelen kryos kelimesinden türetilmiştir. Bu disiplin; kimya, kriyobiyoloji, yoğun madde fiziği ve astrokimya gibi çeşitli bilim alanlarıyla kesişmektedir.

Sıcaklığın kimyasal süreçler üzerindeki etkisini anlamada önemli bir araç olan kriyokimya, özellikle sıvı azot gibi düşük sıcaklıkta kararlı maddelerin bilimsel çalışmalarda kullanılmaya başlanmasıyla ilgi görmüştür.

Düşük sıcaklıkta madde davranışları

Bir madde soğutulduğunda, içindeki moleküllerin ya da atomların hareketleri yavaşlar. Bu süreçte maddenin sıcaklığı düşer. Soğutma işlemi, hareket tamamen durana kadar devam edebilir. Bu nokta, tüm kinetik enerjinin kaybolduğu ve mutlak sıfır (0 K) olarak bilinen teorik sıcaklıktır. Kelvin sıcaklık ölçeği bu temele dayanır ve 0 °C, 273 K’ye karşılık gelir.

Mutlak sıfıra yaklaşıldığında,çoğu element katı hâlde bulunur. Ancak helyum gibi bazı istisnai maddeler, bu sıcaklıkta bile sıvı halde kalabilir. Örneğin, helyum 2.17 K’nin altına düşürüldüğünde süper akışkanlık gösterir; bu durum, maddenin viskozitesiz akması anlamına gelir.

Düşük sıcaklıklarda kimyasal reaksiyonlar tamamen durmaz. Moleküller, enerjilerini azaltmak için birleşme eğiliminde olabilir. Bu sıcaklıklarda maddeler farklı özellikler gösterebilir ve normal koşullarda oluşmayan yeni bileşikler meydana gelebilir. Örneğin, argon fluorohidrür yalnızca 17 K (−256.1 °C) ve altındaki sıcaklıklarda kararlıdır.

Soğutma yöntemleri

Kriyokimya çalışmalarında kullanılan başlıca soğutma yöntemleri şunlardır:

Sıvılaştırılmış gazlar

Sıvı azot (−210 °C) ve sıvı helyum (−269 °C) gibi kriyojenik sıvılar, laboratuvar ortamlarında yaygın olarak kullanılır. Bu maddelerle yapılan soğutma, kimyasal tepkimelerin yavaşlatılması veya dondurulması amacıyla kullanılır.

Lazer soğutma

Lazer soğutma, moleküllerin veya atomların enerjilerinin düşürülmesi için lazer ışınlarının kullanıldığı bir yöntemdir. Bu teknik özellikle Doppler soğutması olarak bilinen süreçte, lazerlerin belirli dalga boylarıyla parçacıkların kinetik enerjileri azaltılarak sıcaklık düşürülür.

Bu teknoloji; kuantum mekaniği, atom saatleri, atom optiği ve Bose–Einstein yoğunlaşması gibi ileri düzey fizik çalışmalarında önemli bir yer tutar.

Düşük sıcaklıkta kimyasal analizler

Aşırı düşük sıcaklıklarda kimyasal süreçleri gözlemlemek teknik olarak zorludur. Bu nedenle, optik yöntemler, özellikle farklı türde spektroskopi teknikleri, kriyokimya araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tekniklerin çoğu, vakum camlarıyla donatılmış özel cihazlar gerektirir.

Uygulama alanları

Kriyokimya, aşağıdaki alanlarda doğrudan veya dolaylı uygulamalara sahiptir:

Kriyobiyoloji: Düşük sıcaklıklarda biyolojik süreçlerin durdurulması ya da yavaşlatılması.
Astrokimya: Uzayda, özellikle soğuk bölgelerdeki kimyasal etkileşimlerin modellenmesi.
Malzeme bilimi: Yeni malzemelerin ve bileşiklerin sentezi.
Kuantum teknolojileri: Ultra-soğuk atomlarla yapılan deneylerde kullanımı.

İlgili kavramlar

Kaynakça

Moskovits, M. ve Ozin, GA, (1976) Kriyokimya , J. Wiley & Sons, New York

Dillinger, JR (1957). Düşük sıcaklık fiziği ve kimyası (Joseph R. Dillinger tarafından düzenlenmiştir.) Madison, Wisconsin: Wisconsin Üniversitesi Yayınları.

Naduvalath, B. (2013). "Ultra soğuk moleküller."

Phillips, WD (2012). "Lazer soğutma"

Parpia, JM, & Lee, DM (2012). "Mutlak sıfır"

Hasegawa, Y., Nakamura, D., Murata, M., Yamamoto, H., & Komine, T. (2010). "Kriyosoğutucu kullanılarak yüksek hassasiyetli sıcaklık kontrolü ve stabilizasyonu. Bilimsel Enstrümanların İncelemesi", doi:10.1063/1.3484192