La cryogénie est définie comme l'étude scientifique des matériaux et de leur comportement à des températures extrêmement basses. Le mot vient du grec cryo , qui signifie "froid", et génétique , qui signifie "produire". Le terme est généralement rencontré dans le contexte de la physique, de la science des matériaux et de la médecine. Un scientifique qui étudie la cryogénie s'appelle un cryogéniste . Un matériau cryogénique peut être qualifié de cryogène . Bien que les températures froides puissent être signalées à l'aide de n'importe quelle échelle de température, les échelles Kelvin et Rankine sont les plus courantes car ce sont des échelles absolues qui ont des nombres positifs.
La température exacte à laquelle une substance doit être pour être considérée comme "cryogénique" fait l'objet d'un débat au sein de la communauté scientifique. Le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis considère que la cryogénie inclut des températures inférieures à −180 ° C (93,15 K; −292,00 ° F), qui est une température au-dessus de laquelle les réfrigérants courants (par exemple, le sulfure d'hydrogène, le fréon) sont des gaz et en dessous de laquelle les "gaz permanents" (par exemple, l'air, l'azote, l'oxygène, le néon, l'hydrogène, l'hélium) sont des liquides. Il existe également un domaine d'étude appelé " cryogénie à haute température ", qui implique des températures supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide à pression ordinaire (-195,79 ° C (77,36 K; -320,42 ° F), jusqu'à -50 ° C (223,15 K ; -58,00 °F).
La mesure de la température des cryogènes nécessite des capteurs spéciaux. Les détecteurs de température à résistance (RTD) sont utilisés pour prendre des mesures de température aussi basses que 30 K. En dessous de 30 K, des diodes au silicium sont souvent utilisées. Les détecteurs de particules cryogéniques sont des capteurs qui fonctionnent à quelques degrés au-dessus du zéro absolu et sont utilisés pour détecter les photons et les particules élémentaires.
Les liquides cryogéniques sont généralement stockés dans des dispositifs appelés flacons Dewar. Ce sont des conteneurs à double paroi qui ont un vide entre les parois pour l'isolation. Les vases Dewar destinés à être utilisés avec des liquides extrêmement froids (par exemple, l'hélium liquide) ont un récipient isolant supplémentaire rempli d'azote liquide. Les flacons Dewar portent le nom de leur inventeur, James Dewar. Les flacons permettent au gaz de s'échapper du conteneur pour empêcher l'accumulation de pression d'ébullition qui pourrait conduire à une explosion.
Les fluides suivants sont le plus souvent utilisés en cryogénie :
| Fluide | Point d'ébullition (K) |
| Hélium-3 | 3.19 |
| Hélium-4 | 4.214 |
| Hydrogène | 20.27 |
| Néon | 27.09 |
| Azote | 77.36 |
| Aérien | 78,8 |
| Fluor | 85.24 |
| Argon | 87.24 |
| Oxygène | 90.18 |
| Méthane | 111.7 |
Il existe plusieurs applications de la cryogénie. Il est utilisé pour produire des carburants cryogéniques pour les fusées, y compris l'hydrogène liquide et l'oxygène liquide (LOX). Les champs électromagnétiques puissants nécessaires à la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont généralement produits par des électroaimants en surfusion avec des cryogènes. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une application de la RMN qui utilise l'hélium liquide. Les caméras infrarouges nécessitent fréquemment un refroidissement cryogénique. La congélation cryogénique des aliments est utilisée pour transporter ou stocker de grandes quantités d'aliments. L'azote liquide est utilisé pour produire du brouillard pour des effets spéciaux et même des cocktails et des plats spéciaux. La congélation des matériaux à l'aide de cryogènes peut les rendre suffisamment cassants pour être brisés en petits morceaux pour être recyclés. Les températures cryogéniques sont utilisées pour stocker les échantillons de tissus et de sang et pour conserver les échantillons expérimentaux. Le refroidissement cryogénique des supraconducteurs peut être utilisé pour augmenter la transmission de l'énergie électrique dans les grandes villes. Le traitement cryogénique est utilisé dans le cadre de certains traitements d'alliage et pour faciliter les réactions chimiques à basse température (par exemple, pour fabriquer des statines). Le cryobroyage est utilisé pour broyer des matériaux qui peuvent être trop mous ou élastiques pour être broyés à des températures ordinaires. Le refroidissement des molécules (jusqu'à des centaines de nano Kelvins) peut être utilisé pour former des états exotiques de la matière. Le Cold Atom Laboratory (CAL) est un instrument conçu pour être utilisé en microgravité pour former des condensats de Bose Einstein (environ 1 pico Kelvin de température) et tester les lois de la mécanique quantique et d'autres principes physiques.
La cryogénie est un vaste domaine qui englobe plusieurs disciplines, notamment :
Cryonique - La cryonie est la cryoconservation des animaux et des humains dans le but de les faire revivre dans le futur.
Cryochirurgie - Il s'agit d'une branche de la chirurgie dans laquelle les températures cryogéniques sont utilisées pour tuer les tissus indésirables ou malins, tels que les cellules cancéreuses ou les grains de beauté.
Cryoélectronique s - Il s'agit de l'étude de la supraconductivité, des sauts à portée variable et d'autres phénomènes électroniques à basse température. L'application pratique de la cryoélectronique est appelée cryotronique .
Cryobiologie - Il s'agit de l'étude des effets des basses températures sur les organismes, y compris la préservation des organismes, des tissus et du matériel génétique à l'aide de la cryoconservation .
Alors que la cryogénie implique généralement une température inférieure au point de congélation de l'azote liquide mais supérieure à celle du zéro absolu, les chercheurs ont atteint des températures inférieures au zéro absolu (températures dites Kelvin négatives). En 2013, Ulrich Schneider de l'Université de Munich (Allemagne) a refroidi le gaz en dessous du zéro absolu, ce qui l'aurait rendu plus chaud au lieu de le refroidir !
