Tento blogový příspěvek zkoumá, jak vědecké principy singularity – klíčového bodu technologického pokroku – a superkritických kapalin ovlivňují náš každodenní život a průmyslová odvětví.
„Singularita se blíží!“ Tato fráze se rozléhala internetem poté, co mnozí byli svědky šokujícího zápasu v Go mezi hráčem AlphaGo od Googlu a Lee Sedolem, profesionálem s 9. danem. Termín se proslavil díky názvu knihy Raye Kurzweila, ředitele technického oddělení Googlu, který popisuje Singularitu jako bod, kdy lidská technologie překonává lidské schopnosti. Jinými slovy, autor tvrdí, že singularita je bod, kde se lidská technologie a lidské schopnosti vyrovnají, a že za touto singularitou dojde k nepředvídaným událostem. Tyto nepředvídané události odkazují na budoucnost, kde umělá inteligence překonává lidská očekávání, učí se a vyvíjí se nezávisle a je schopna myslet a rozhodovat se jako lidé.
Termín singularita sám o sobě je však širší pojem často používaný v matematice a vědě a odkazuje na bod, ve kterém soupeřící prvky dosahují rovnováhy, a to nad rámec pouhé rovnováhy mezi technologií a lidmi. Například v matematice lze charakteristiky rovnice určit poměrem dvou proměnných v ní. Když velikosti těchto dvou faktorů dosáhnou extrémně křehké rovnováhy, vzniká situace, kdy se charakteristiky rovnice stanou nedefinovatelnými. Tento bod se nazývá singularita rovnice. Pochopení termínu singularita z této širší perspektivy bodu rovnováhy odhaluje, že každá látka kolem nás má svou vlastní singularitu – bod nazývaný kritický bod, kde jsou vlastnosti kapaliny a plynu v rovnováze. A jakmile je tento kritický bod překročen, vykazuje užitečné vlastnosti, které jsme si nikdy nepředstavovali.
Veškerá hmota může existovat ve třech skupenstvích. Vezměme si vodu. Při nízkých teplotách existuje jako led, tedy v pevném skupenství. S rostoucí teplotou se taví na vodu, tedy v kapalině, a ještě více se zahřívá, vaří a mění se na páru, tedy v plynném stavu. Tři skupenství hmoty – pevné, kapalné a plynné – se tedy mění v závislosti na teplotě. Skupenství hmoty se navíc mění nejen s teplotou, ale i s tlakem. Sprej obsahuje kapalinu pod velmi vysokým tlakem, ale při nastříkání se uvolňuje do vzduchu jako neviditelný plyn. Zda tedy látka existuje jako pevná, kapalná nebo plynná látka, je určeno jak teplotou, tak tlakem. I když se jedná o běžný jev kolem nás, stává se ještě fascinujícím, když se na něj podíváme vědecky: každý stav lze udržet pouze při specifických teplotách a tlacích. V každodenním životě snadno pozorujeme, jak se voda v pevném stavu taví na kapalinu a poté se odpařuje na plyn, ale za tím se skrývá složitá souhra mezi molekulami.
Jak tedy teplota a tlak mění skupenství? Nejprve si pochopme, co teplota a tlak znamenají. Teplota udává, jak rychle se molekuly – drobné částice tvořící hmotu – pohybují. To znamená, že při nízkých teplotách se molekuly pohybují pomalu a při vysokých teplotách rychle. Naopak tlak udává vzdálenost mezi molekulami. Vysoký tlak znamená, že látka je stlačena, čímž se vzdálenost mezi molekulami zmenšuje, zatímco nízký tlak vzdálenost mezi nimi zvětšuje. Regulace vzdálenosti mezi molekulami tlakem však má další účinek. Molekuly mají inherentní tendenci se vzájemně přitahovat, protože síla této přitažlivé síly se zvyšuje, když jsou molekuly blíže k sobě. Vyšší tlak tedy molekuly přibližuje, čímž zesiluje jejich vzájemnou přitažlivost a tendenci se shlukovat. Naopak nižší tlak oslabuje sílu, která molekuly k sobě přitahuje.
Nyní se vraťme k vodě. Při nízkých teplotách se molekuly vody, které ji tvoří, pohybují pomalu. Tyto pomalu se pohybující molekuly nemohou překonat vzájemnou přitažlivost a uniknout, což způsobuje jejich shlukování. Výsledkem je pevný stav, kdy jsou zcela znehybněny – led. Když teplota ledu stoupne, což umožňuje molekulám rychlejší pohyb, zůstávají shluknuté ve velkých skupinách, ale mohou částečně překonat vzájemnou přitažlivost, což umožňuje určitý molekulární pohyb. Toto je kapalný stav vody. Pokud teplota dále stoupá, molekuly se pohybují tak rychle, že je přitažlivé síly již nemohou držet pohromadě. Začnou se volně pohybovat náhodně a vytvářejí plynný stav: vodní páru. Stručně řečeno, stav látky je určen tím, která síla převládá v soutěži mezi přitažlivou silou mezi molekulami a rychlostí molekul. Přitažlivá síla se zvyšuje s vyšším tlakem a rychlost molekul se zvyšuje s vyšší teplotou. Stav látky se proto mění v závislosti na teplotě a tlaku.
Zkusme nyní přeměnit vodní páru zpět na kapalinu, aniž bychom snížili teplotu. Zvyšující se tlak sbližuje molekuly vody. Tím se také zvyšuje přitažlivost mezi nimi. Pokud se tlak dostatečně zvýší, vzájemná přitažlivost se stane dostatečně silnou, aby udržela i rychle unikající molekuly, což způsobí, že se látka vrátí do kapaliny. Ale vždy se při zvyšujícím se tlaku změní plyn na kapalinu?
Abychom odpověděli hned na začátku: ne. Zvyšující se tlak zmenšuje vzdálenost mezi molekulami a posiluje jejich vzájemnou přitažlivost. Existuje však určitý limit, jak silná tato přitažlivost může být. Je to proto, že jakmile jsou molekuly stlačeny natolik, že se vzájemně dotknou bez mezer, nemohou se k sobě přiblížit. Naproti tomu teplotu lze zvyšovat donekonečna, dokud nenastanou problémy uvnitř samotných molekul nebo se nerozpadnou. Jakmile je tedy překročena určitá teplota, konkurence mezi tlakem a teplotou končí. Bez ohledu na to, jak moc se tlak zvýší, nemůže vytvořit molekulární přitažlivost dostatečně silnou k zachycení rychle se pohybujících molekul, takže plyn se nestane kapalinou. Tento konečný rovnovážný bod, těsně předtím, než konkurence mezi teplotou a tlakem skončí, se nazývá kritický bod. Lze jej také vnímat jako singularitu látky.
Nicméně jen proto, že se látka nemůže stát kapalinou za hranicí teploty a tlaku kritického bodu, neznamená to, že za touto hranicí existuje jako plyn. Za kritickým bodem, i když není dostatečně kapalná, aby se z ní stala kapalina, vzdálenost mezi molekulami se velmi zmenšuje, což způsobuje, že se molekuly vzájemně přitahují silnými silami. Proto, i když molekuly nejsou shlukovány jako v kapalině, nemohou se pohybovat zcela volně jako v plynu. Látka, která překročila kritický bod a není ani kapalinou, ani plynem, se nazývá superkritická tekutina.
Superkritické kapaliny vykazují vlastnosti, které se u běžných kapalin nebo plynů vyskytují jen zřídka, zejména extrémně nízkou viskozitu a vysokou rozpustnost pro jiné látky. Nízká viskozita znamená vysokou penetrační schopnost. To lze snadno pochopit, když si připomeneme, že když se voda nalije na písek, pronikne každým koutem a skulinou mezi zrny a vyteče dolů, zatímco med, který má vyšší viskozitu než voda, sotva teče a jen nepatrně se vsákne do písku.
Stručně řečeno, použití superkritické kapaliny jako extrakčního rozpouštědla jí umožňuje proniknout všude a rozpustit požadovaný cílový materiál. Při lisování sezamových semínek za účelem extrakce sezamového oleje se antioxidant zvaný lignin nerozpouští. Použití superkritické kapaliny pro extrakci však může zvýšit její výtěžnost více než 10 000krát. Sezamový olej extrahovaný tímto způsobem se ve skutečnosti prodává komerčně. Superkritická kapalina se navíc používá v procesu dekofeinizace kávy k selektivnímu odstranění pouze kofeinu. Kromě toho řada farmaceutických společností zkoumá použití superkritických kapalin k extrakci aktivních složek z látek, jako jsou byliny. Superkritické kapaliny se také aktivně používají jako médium pro výrobu nanočástic nebo indukci vysoce specializovaných chemických reakcí. Superkritické kapaliny se tak etablovaly jako základní materiál v pokročilých technologiích a jejich rozsah použití se neustále rozšiřuje.
