Тази публикация в блога изследва как научните принципи зад Сингулярността – ключов момент в технологичния напредък – и свръхкритичните флуиди влияят на нашето ежедневие и индустрии.
„Сингуларността идва!“ Тази фраза отекна в интернет, след като мнозина станаха свидетели на шокиращия мач по Го между AlphaGo на Google и Лий Седол, професионалист с 9-ти дан. Терминът придоби известност като заглавие на книга от Рей Курцвейл, директор по инженерството на Google, който описва Сингулярността като точката, в която създадените от човека технологии надминават човешките възможности. С други думи, авторът твърди, че сингулярността е точката, в която човешките технологии и човешките възможности стават равни и че отвъд тази сингулярност ще се случат непредвидени събития. Тези непредвидени събития се отнасят до бъдеще, в което изкуственият интелект надминава човешките очаквания, учейки се и развивайки се самостоятелно, способен да мисли и взема решения като хората.
Самият термин „сингулярност“ обаче е по-широко понятие, често използвано в математиката и науката, отнасящо се до точката, в която конкуриращите се елементи постигат равновесие, отвъд баланса между технологиите и хората. Например, в математиката характеристиките на едно уравнение могат да бъдат определени от съотношението на две променливи в него. Когато величините на тези два фактора достигнат изключително деликатно равновесие, възниква ситуация, в която характеристиките на уравнението стават неопределими. Тази точка се нарича сингулярност на уравнението. Разбирането на термина „сингулярност“ от тази по-широка перспектива на точка на баланс разкрива, че всяко вещество около нас има своя собствена сингулярност – точка, наречена критична точка, където характеристиките на течността и газа са в равновесие. И след като тази критична точка бъде премината, то проявява полезни свойства, които никога не сме си представяли.
Цялата материя може да съществува в три състояния. Да разгледаме водата. При ниски температури тя съществува като лед, твърдо състояние. С повишаване на температурата тя се топи във вода, течност, и става още по-гореща, кипи и се превръща в пара, газ. По този начин трите състояния на материята – твърдо, течно и газообразно – се променят в зависимост от температурата. Освен това, състоянието на материята се променя не само с температурата, но и с налягането. Спрей флаконът съдържа течност под много високо налягане, но когато се напръска, тя се изхвърля във въздуха като невидим газ. По този начин, дали едно вещество съществува като твърдо, течно или газообразно, се определя както от температурата, така и от налягането. Макар че това е често срещано явление около нас, то става още по-завладяващо, когато се изследва научно: всяко състояние може да се поддържа само при определени температури и налягания. Лесно наблюдаваме как водата в твърдо състояние се топи в течност и след това се изпарява в газ в ежедневието, но зад това се крие сложното взаимодействие между молекулите.
И така, как температурата и налягането променят едно състояние? Първо, нека разберем какво означават температурата и налягането. Температурата показва колко бързо се движат молекулите – малките частици, изграждащи материята. Тоест, при ниски температури молекулите се движат бавно, а при високи температури – бързо. Обратно, налягането показва разстоянието между молекулите. Високото налягане означава, че веществото е компресирано, намалявайки разстоянието между молекулите, докато ниското налягане увеличава разстоянието между тях. Регулирането на разстоянието между молекулите чрез налягане обаче води до допълнителен ефект. Молекулите притежават присъща склонност да се привличат взаимно, тъй като силата на тази сила на привличане се увеличава, когато молекулите са по-близо една до друга. По този начин, по-високото налягане сближава молекулите, засилвайки взаимното им привличане и склонността им да се групират. Обратно, по-ниското налягане отслабва силата, която привлича молекулите една към друга.
Сега да се върнем към водата. При ниски температури водните молекули, които я съставят, се движат бавно. Тези бавно движещи се молекули не могат да преодолеят взаимното привличане и да се измъкнат, което ги кара да се слепват. Това води до твърдо състояние, в което те са напълно обездвижени - лед. Когато температурата на леда се повиши, позволявайки на молекулите да се движат по-бързо, те остават групирани в големи групи, но могат частично да преодолеят взаимното привличане, което позволява известно молекулярно движение. Това е течното състояние на водата. Ако температурата се повиши допълнително, молекулите се движат толкова бързо, че силите на привличане вече не могат да ги държат заедно. Те стават свободни да се движат произволно, образувайки газообразното състояние: водна пара. В обобщение, състоянието на веществото се определя от това коя сила преобладава в конкуренцията между силата на привличане между молекулите и скоростта на молекулите. Силата на привличане се увеличава с по-високо налягане, а скоростта на молекулите се увеличава с по-висока температура. Следователно, състоянието на веществото се променя в зависимост от температурата и налягането.
Сега нека се опитаме да превърнем водните пари обратно в течност, без да понижаваме температурата. Увеличаването на налягането сближава водните молекули. Това също така увеличава силата на привличане между тях. Ако налягането се повиши достатъчно, взаимното привличане става достатъчно силно, за да задържи дори бързо излизащи молекули, карайки веществото да се върне в течност. Но винаги ли повишаването на налягането превръща газа в течност?
Да отговоря предварително: не. Увеличаването на налягането намалява разстоянието между молекулите и засилва взаимното им привличане. Но има определена граница за това колко силно може да стане това привличане. Това е така, защото след като молекулите се компресират, докато се докоснат една до друга без останали празнини, те не могат да се приближат повече. За разлика от това, температурата може да се повишава безкрайно, докато не възникнат проблеми в самите молекули или те се разпаднат. Следователно, след като бъде превишена определена температура, конкуренцията между налягането и температурата приключва. Без значение колко се увеличава налягането, то не може да създаде достатъчно силно молекулярно привличане, за да улови бързо движещите се молекули, така че газът не се превръща в течност. Тази крайна равновесна точка, точно преди конкуренцията между температурата и налягането да приключи, се нарича критична точка. Това може да се разглежда и като сингулярност на веществото.
Само защото едно вещество не може да се превърне в течност при температура и налягане над критичната точка, не означава, че то съществува като газ отвъд тази точка. Отвъд критичната точка, макар че не е достатъчно течно, за да се образува течност, разстоянието между молекулите става много малко, което ги кара да се привличат взаимно със силни сили. Следователно, въпреки че молекулите не са групирани заедно, както в течност, те не могат да се движат напълно свободно, както в газ. Вещество, което е преминало критичната точка и не е нито течност, нито газ, се нарича свръхкритичен флуид.
Свръхкритичните флуиди проявяват свойства, рядко срещани в обикновени течности или газове, по-специално изключително нисък вискозитет и висока разтворимост за други вещества. Ниският вискозитет означава висока проникваща способност. Това може лесно да се разбере, като се припомни, че когато водата се излее върху пясък, тя прониква във всяко кътче и пукнатина между зърната и изтича надолу, докато медът, който има по-висок вискозитет от водата, едва тече и само леко попива в пясъка.
Накратко, използването на свръхкритичен флуид като екстракционен разтворител му позволява да проникне навсякъде, разтваряйки желания целеви материал. При пресоване на сусамови семена за екстрахиране на сусамово масло, антиоксидант, наречен лигнин, не се разтваря. Използването на свръхкритичен флуид за екстракция обаче може да увеличи добива му над 10 000 пъти. Сусамовото масло, екстрахирано по този начин, всъщност се продава в търговската мрежа. Освен това, свръхкритичният флуид се използва в процеса на декофеинизация на кафе, за да се отстрани селективно само кофеинът. Освен това, много фармацевтични компании изследват използването на свръхкритични флуиди за екстрахиране на активни съставки от вещества като билки. Свръхкритичните флуиди се използват активно и като среда за производство на наночастици или за индуциране на високоспециализирани химични реакции. По този начин, свръхкритичните флуиди са се утвърдили като основен материал в напредналите технологии и обхватът им на приложение продължава да се разширява.
