Fizica temperaturilor joase, numită şi criogenie, ne-a adus frigiderele, noi tipuri de îngrăşăminte, torţele cu ardere rapidă şi motoarele de rachetă, printre multe alte produse comerciale. Dar, pe lângă toate acestea, studiul comportamentului anumitor substanţe la temperaturi sub -100°C ne-au relevat proprietăţi fundamentale ale materiei şi electromagnetismului.
Heike Kamerlingh Onnes
Supraconductivitatea, adică dispariţia rezistenţei electrice la temperaturi foarte joase, are implicaţii serioase atât tehnologice, cât şi teoretice. Aceasta a fost descoperirea cea mai importantă a omului de ştiinţă olandez Heike Kamerlingh Onnes, făcută în 1911. Excelent experimentator, laureat al Premiului Nobel şi director foarte influent al laboratorului din Leiden, Kamerlingh Onnes era cunoscut drept „gentlemanul lui zero absolut".

Heike Kamerlingh Onnes s-a născut pe 21 septembrie 1853 în Groningen, un oraş de mărime medie din nord-estul Olandei, într-o familie de condiţie medie, într-o casă condusă cu o mână de fier. Mama lui era Anna Gerdina Coers, fiică de arhitect, iar tatăl lui, Harm Kamerlingh Onnes, îşi câştiga existenţa ca producător de ţigle.

Începând cu 1870, el a studiat fizica şi matematica la Universitatea din Groningen, câştigând premii pentru cercetările sale şi înscriindu-se la doctorat încă din 1871. Cu prilejul călătoriei sale prin Germania, a avut şansa de a studia cu Gustav Kirchhoff şi cu Robert Bunsen la Universitatea Heidelberg, după care s-a întors la Groningen pentru a-şi definitiva teza de doctorat pe care l-a luat magna cum laude. Disertaţia lui, intitulată „Noi dovezi ale rotaţiei axiale a Pământului", era inspirată de colaborarea cu Kirchhoff şi i-a adus în 1879 titlul de doctor. Cu un an înainte începuse deja să predea la Şcoala Politehnică din Delft.

Încă din primii ani ai secolului al XIX-lea, experimentatorii constataseră că gazele reacţionează neprevăzut la schimbările de temperatură şi presiune.

Michael Faraday, de pildă, a descoperit că poate lichefia clorul şi bioxidul de carbon. Pe măsură ce s-au îmbunătăţit metodele experimentale, oamenii de ştiinţă au fost în măsură să obţină cantităţi reduse de oxigen lichid. În perspectiva istorică, acest nou tip de cercetare în domeniul fizicii temperaturilor joase s-a conjugat cu teoriile moderne ale termodinamicii şi ale chimiei atomilor şi moleculelor care au dominat ultima parte a secolului al XIX-lea. Nu e surprinzător nici faptul că toate acestea au coincis şi cu tentativele de obţinere a unor noi forme de refrigerare, pentru că de secole oamenii se luptau să păstreze alimentele perisabile la rece.

Spre sfârşitul anilor '70, Kamerlingh Onnes începuse să manifeste interes pentru teoriile gazelor şi temperatura critică, aduse în discuţie de Johannes van der Waals, colegul lui mai în vârstă de la Politehnică. Van der Waals sugerase că ar exista o „lege a stărilor corespondente", pe care Kamerlingh Onnes a încercat să o verifice.

Aceasta se baza pe presupunerea că toate gazele au o serie de proprietăţi comune şi că se vor comporta similar dacă temperatura, presiunea şi volumul lor se vor ajusta corespunzător cu mărimea moleculei specifice fiecăruia. Kamerlingh Onnes a fost foarte receptiv la această idee, pentru că ea prezenta o mare importanţă pentru cercetarea fundamentală. Pe lângă găsirea unor aplicaţii practice, el spera, după cum a şi declarat ulterior, „să ridic vălul pe care mişcările termice produse la temperaturi normale îl aruncă asupra lumii interioare a atomilor şi electronilor".

Dar pentru asemenea studii gazele trebuie să fie ţinute la cele mai mici temperaturi posibile, de fapt, chiar în apropierea punctului de lichefiere. Kamerlingh Onnes şi-a dedicat cercetările de laborator acestui proiect atunci când s-a mutat de la Delft la Universitatea din Leiden, în 1882, pentru a deveni profesor de fizică.

În anii 1870 fuseseră inventate două tehnici pentru răcirea gazelor, ambele folosite de Kamerlingh Onnes în studiile sale iniţiale. Una din metode, opera lui Carl Linde, preconiza supunerea gazului la o presiune mare şi forţarea lui printr-o serpentină, având loc un schimb de căldură, iar gazul devenind tot mai rece.

Cealaltă metodă presupunea comprimarea gazului şi decomprimarea lui rapidă. În 1892, Kamerlingh Onnes inventase un aparat care folosea o „metodă în cascadă" pentru răcirea treptată. Primele gaze răcite de el au fost oxigenul şi aerul, iar aparatul lui a reuşit, în cele din urmă, să producă 14 litri de aer lichid (un lichid albastru-palid) pe oră. Aparatul necesar pentru aceste experimente era complex, dificil de asamblat şi presupunea o manipulare foarte migăloasă.

În 1901, el a înfiinţat o şcoală de suflători în sticlă capabili să creeze vasele speciale pe care le dorea el, ca şi una de creatori de instrumente de măsură, care urmau să producă diversele serpentine şi pompe cerute de el. Într-un interval de peste două decenii, Kamerlingh Onnes „a introdus practica inginerească pură în abordarea ştiinţifică a fizicii temperaturilor joase", scrie Emilio Segre.

Pe măsură ce criogenia se dezvolta, era clar că fiecărui gaz îi corespundea o temperatură de lichefiere. Unul a rezistat mai mult, hidrogenul. Abia omul de ştiinţă scoţian James Dewar a obţinut hidrogen lichid în 1898, însă doar opt ani mai târziu au fost dobândite cantităţi mai mari, în laboratorul din Leiden. În 1907, Kammerlingh Onnes şi alţii reuşiseră să lichefieze toate gazele, cu excepţia celui mai uşor, heliul.

Gaz rar, heliul devine lichid la temperaturi foarte mici, la doar 4° deasupra lui zero absolut. (Zero absolut indică absenţa oricărei călduri. Jacques Charles a descoperit spre sfârşitul secolului al XVIII-lea că un gaz se contractă cu aproximativ 1/273 din volumul său dacă este răcit de la 1° Celsius la 0° Celsius. Prin urmare, zero absolut pe scara Kelvin corespunde lui -273°C.) Lichefierea heliului a devenit o ţintă importantă, la care Kamerlingh Onnes a ajuns în 1908.

Heliul lichid este perfect limpede, iar când în conteiner s-a format meniscu. (o uşoară curbare a lichidului în recipient), Kamerlingh Onnes nici nu l-a observat. Un vizitator al laboratorului lui a subliniat acest succes. „Cu această lichefiere", scrie J. van den Handel, „s-a deschis pentru cercetări o întreagă regiune de temperaturi, un domeniu în care Kamerlingh Onnes a rămas monarh absolut" până la pensionarea sa, în 1923. Rezultatele lui erau publicate cu regularitate în străinătate. Premiul Nobel pentru fizică pe care l-a primit în 1913 pentru cercetările în domeniul criogeniei nu a mirat pe nimeni.

Şi totuşi, descoperirea care constituie cea mai bine cunoscută cucerire ştiinţifică a lui Kamerlingh Onnes datează din 1911. Făcând experimente cu mercur, el a constatat că rezistenţa acestuia la trecerea unui curent electric scade brusc la zero în preajma temperaturii de 4,2° Kelvin (aproximativ -269° Celsius). A obţinut rezultate similare cu cositor, plumb şi alte câteva metale. Deşi nu a putut explica fenomenul, el a înţeles foarte bine semnificaţia lui.

Onnes a descris lipsa rezistenţei electrice ca pe o nouă stare a materiei, numită supraconductivitate. Astăzi este mai încetăţenit termenul de superconductivitate. Aceasta nu poate fi interpretată prin mecanica clasică, fenomenul urmând să fie explicat în 1957 prin electrodinamica cuantică, prin teoria lui John Bardeen, Leon Cooper şi John Schrieffer. În ultimii ani se fac eforturi considerabile pentru obţinerea unor materiale supraconductoare la temperaturi mult mai mari decât cele obişnuite.

Asemenea materiale ar avea nişte aplicaţii de anvergură în medicină şi în fizica nucleară, la care se adaugă şi perspectiva reconfortantă a utilizării trenului cu suspensie magnetică. Timp de câţiva ani, dispozitive mici numite SQUID (abreviere de la dispozitiv supraconductor cu interferenţă cuantică) s-au folosit pe o scară restrânsă în diagnostice medicale.

Kamerlingh Onnes a făcut primii paşi în direcţia aplicării criogeniei la înmagazinarea hranei, la producerea gheţii şi în alte industrii. În perioada primului război mondial, el s-a numărat printre cei care au contribuit la atenuarea foametei ce a însoţit conflictul. A fost căsătorit cu Elizabeth Bijleveld, cu care a avut un fiu.

S-a remarcat prin vitalitate şi putere de muncă, deşi a suferit de o boală cronică vreme de mai mulţi ani. Kamerlingh Onnes a murit pe 21 februarie 1926 la Leiden. Atunci când a preluat postul la Leiden, în 1882, şi-a intitulat discursul inaugural „Despre importanţa cercetării cantitative în fizică". Kamerlingh Onnes spunea că, dacă ar fi după el, la intrarea în oricare laborator de fizică ar trebui să existe o plăcuţă cu motoul: Door meten tot weten: Cunoaştere prin măsurare.

RECENT

Aspecte epidemilogice ale izbucnirilor cu boli diareice acute în Republica Moldova (Nadejda Gafin, Aliona Nastas, Ion Bîrcă, Adrian Cotelea, Vasile Sofronie)
02.01.2020

În articol sunt prezentate unele aspecte epidemiologice ale izbucnirilor cu boli diareice acute (BDA) în Republica Moldova în anii 2014-2 [ ... ]

Impactul asupra sănătății și cel socioeconomic al morbidității prin varicelă în Republica Moldova (Silvia Negară, Vasile Sofronie)
02.01.2020

A fost studiată și analizată epidemilogic morbiditatea prin varicelă în Republica Moldova în perioada 1985-2017. Studiul dat este unul [ ... ]

2018 Sănătatea - Publicaţie de sănătate şi divertisment