Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan, miten Singulariteetin – teknologisen kehityksen käännekohdan – ja superkriittisten nesteiden taustalla olevat tieteelliset periaatteet vaikuttavat jokapäiväiseen elämäämme ja toimialoihin.
”Singulariteetti on tulossa!” Tämä lause kaikui internetissä sen jälkeen, kun monet näkivät järkyttävän Go-ottelun Googlen AlphaGon ja 9-danilaisen ammattilaisen Lee Sedolin välillä. Termi tuli tunnetuksi Googlen suunnittelujohtajan Ray Kurzweilin kirjan nimenä. Kurzweil kuvailee singulaarisuutta pisteeksi, jossa ihmisen tekemä teknologia ylittää ihmisen kyvyt. Toisin sanoen kirjailija väittää, että singulaarisuus on piste, jossa ihmisen teknologia ja ihmisen kyvyt ovat yhtä suuret ja että tämän singulaarisuuden ulkopuolella tapahtuu odottamattomia tapahtumia. Nämä odottamattomat tapahtumat viittaavat tulevaisuuteen, jossa tekoäly ylittää ihmisten odotukset, oppii ja kehittyy itsenäisesti ja kykenee ajattelemaan ja tekemään päätöksiä kuten ihmiset.
Termi singulariteetti on kuitenkin laajempi käsite, jota käytetään usein matematiikassa ja luonnontieteissä. Se viittaa pisteeseen, jossa kilpailevat elementit saavuttavat tasapainon, pelkän teknologian ja ihmisten välisen tasapainon ulkopuolella. Esimerkiksi matematiikassa yhtälön ominaisuudet voidaan määrittää kahden siinä olevan muuttujan suhteen perusteella. Kun näiden kahden tekijän suuruudet saavuttavat erittäin herkän tasapainon, syntyy tilanne, jossa yhtälön ominaisuudet muuttuvat määrittelemättömiksi. Tätä pistettä kutsutaan yhtälön singulariteetiksi. Singulariteetti-termin ymmärtäminen tästä laajemmasta tasapainopisteen näkökulmasta paljastaa, että jokaisella ympärillämme olevalla aineella on oma singulariteettinsa – piste, jota kutsutaan kriittiseksi pisteeksi, jossa nesteen ja kaasun ominaisuudet ovat tasapainossa. Ja kun tämä kriittinen piste ylitetään, sillä on hyödyllisiä ominaisuuksia, joita emme olisi koskaan kuvitelleetkaan.
Kaikki aine voi esiintyä kolmessa olomuodossa. Ajatellaanpa vettä. Alhaisissa lämpötiloissa se esiintyy jäänä, kiinteänä olomuotona. Lämpötilan noustessa se sulaa vedeksi, nesteeksi, ja kuumentuessaan vielä kuumemmaksi se kiehuu ja muuttuu höyryksi, kaasuksi. Näin ollen aineen kolme olomuotoa – kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen – muuttuvat lämpötilan mukaan. Lisäksi aineen olomuoto muuttuu paitsi lämpötilan myös paineen mukaan. Suihkepullo sisältää nestettä erittäin korkeassa paineessa, mutta suihkutettaessa se purkautuu ilmaan näkymättömänä kaasuna. Siten aineen esiintyminen kiinteänä, nestemäisenä vai kaasumaisena määräytyy sekä lämpötilan että paineen mukaan. Vaikka tämä on yleinen ilmiö ympärillämme, siitä tulee vielä kiehtovampi, kun sitä tarkastellaan tieteellisesti: kutakin olomuotoa voidaan ylläpitää vain tietyissä lämpötiloissa ja paineissa. Havaitsemme helposti veden kiinteässä olomuodossa sulavan nesteeksi ja sitten höyrystyvän kaasuksi jokapäiväisessä elämässä, mutta tämän takana on molekyylien välinen monimutkainen vuorovaikutus.
Joten miten lämpötila ja paine muuttavat olomuotoa? Ensinnäkin ymmärretään, mitä lämpötila ja paine merkitsevät. Lämpötila osoittaa, kuinka nopeasti molekyylit – aineen muodostavat pienet hiukkaset – liikkuvat. Toisin sanoen matalissa lämpötiloissa molekyylit liikkuvat hitaasti ja korkeissa lämpötiloissa nopeasti. Paine puolestaan osoittaa molekyylien välisen etäisyyden. Korkea paine tarkoittaa, että aine puristuu kokoon, mikä pienentää molekyylien välistä etäisyyttä, kun taas matala paine lisää niiden välistä etäisyyttä. Molekyylien välisen etäisyyden säätely paineella tuottaa kuitenkin lisävaikutuksen. Molekyyleillä on luontainen taipumus vetää toisiaan puoleensa, koska tämän vetovoiman voimakkuus kasvaa, kun molekyylit ovat lähempänä toisiaan. Näin ollen korkeampi paine tuo molekyylit lähemmäksi toisiaan, mikä tehostaa niiden keskinäistä vetovoimaa ja taipumusta kasaantua yhteen. Käänteisesti matalampi paine heikentää molekyylejä toisiaan kohti vetävää voimaa.
Palataanpa nyt veteen. Alhaisissa lämpötiloissa sitä muodostavat vesimolekyylit liikkuvat hitaasti. Nämä hitaasti liikkuvat molekyylit eivät pysty voittamaan keskinäistä vetovoimaa ja pakenemaan, minkä seurauksena ne paakkuuntuvat yhteen. Tämä johtaa kiinteään olomuotoon, jossa ne ovat täysin liikkumattomia – jäähän. Kun jään lämpötila nousee, jolloin molekyylit voivat liikkua nopeammin, ne pysyvät kasaantuneina suuriksi ryhmiksi, mutta voivat osittain voittaa keskinäisen vetovoiman, mikä mahdollistaa jonkin verran molekyylien liikettä. Tämä on veden nestemäinen olomuoto. Jos lämpötila nousee edelleen, molekyylit liikkuvat niin nopeasti, että vetovoimat eivät enää pysty pitämään niitä yhdessä. Ne vapautuvat liikkumaan satunnaisesti muodostaen kaasumaisen olomuodon: vesihöyryn. Yhteenvetona voidaan todeta, että aineen olomuoto määräytyy sen mukaan, mikä voima vallitsee molekyylien välisen vetovoiman ja molekyylien nopeuden välisessä kilpailussa. Vetovoima kasvaa paineen noustessa, ja molekyylien nopeus kasvaa lämpötilan noustessa. Siksi aineen olomuoto muuttuu lämpötilan ja paineen mukaan.
Yritetään nyt muuttaa vesihöyry takaisin nesteeksi lämpötilaa alentamatta. Paineen nostaminen tuo vesimolekyylejä lähemmäs toisiaan. Tämä myös lisää niiden välistä vetovoimaa. Jos painetta nostetaan riittävästi, keskinäisestä vetovoimasta tulee riittävän voimakas pidättelemään jopa nopeasti pakenevia molekyylejä, jolloin aine palautuu nesteeksi. Mutta muuttaako paineen nostaminen aina kaasun nesteeksi?
Aluksi vastataan: ei. Paineen kasvu pienentää molekyylien välistä etäisyyttä ja vahvistaa niiden keskinäistä vetovoimaa. Mutta tällä vetovoimalla on selvä rajansa. Tämä johtuu siitä, että kun molekyylit on puristettu niin, että ne koskettavat toisiaan tyhjin raoin, ne eivät voi enää päästä lähemmäksi toisiaan. Lämpötilaa sitä vastoin voidaan nostaa loputtomiin, kunnes molekyyleissä ilmenee ongelmia tai ne hajoavat. Siksi, kun tietty lämpötila ylitetään, paineen ja lämpötilan välinen kilpailu loppuu. Riippumatta siitä, kuinka paljon painetta nostetaan, se ei voi luoda riittävän voimakasta molekyylivetovoimaa vangitsemaan nopeasti liikkuvia molekyylejä, joten kaasusta ei tule nestettä. Tätä lopullista tasapainopistettä juuri ennen lämpötilan ja paineen välisen kilpailun loppumista kutsutaan kriittiseksi pisteeksi. Tätä voidaan pitää myös aineen singulaarisuudena.
Vaikka aine ei voi muuttua nesteeksi kriittisen pisteen lämpötilan ja paineen ulkopuolella, se ei tarkoita, että se olisi kaasuna tuon pisteen ulkopuolella. Kriittisen pisteen jälkeen, vaikka se ei olekaan tarpeeksi nestemäistä muodostaakseen nestettä, molekyylien välinen etäisyys pienenee hyvin, minkä seurauksena ne vetävät toisiaan veteen voimakkailla voimilla. Siksi, vaikka molekyylit eivät olekaan kasaantuneita yhteen kuten nesteessä, ne eivät voi liikkua täysin vapaasti kuten kaasussa. Ainetta, joka on ylittänyt kriittisen pisteen eikä ole neste eikä kaasu, kutsutaan superkriittiseksi nesteeksi.
Ylikriittisillä nesteillä on ominaisuuksia, joita tavallisissa nesteissä tai kaasuissa esiintyy harvoin, erityisesti erittäin alhainen viskositeetti ja korkea liukoisuus muihin aineisiin. Alhainen viskositeetti tarkoittaa suurta tunkeutumiskykyä. Tämä on helppo ymmärtää muistamalla, että kun vettä kaadetaan hiekan päälle, se tunkeutuu jokaiseen rakoon jyvien välillä ja virtaa alas, kun taas hunaja, jonka viskositeetti on korkeampi kuin veden, virtaa tuskin lainkaan ja imeytyy hiekkaan vain hieman.
Lyhyesti sanottuna superkriittisen nesteen käyttö uuttoliuottimena mahdollistaa sen tunkeutumisen kaikkialle ja liuottaa halutun kohdemateriaalin. Kun seesaminsiemeniä puristetaan seesamiöljyn uuttamiseksi, ligniini-niminen antioksidantti ei liukene. Superkriittisen nesteen käyttö uuttoon voi kuitenkin lisätä sen saantoa yli 10 000-kertaisesti. Tällä tavalla uutettua seesamiöljyä myydään itse asiassa kaupallisesti. Lisäksi superkriittistä nestettä käytetään kahvin kofeiininpoistoprosessissa vain kofeiinin poistamiseksi selektiivisesti. Tämän lisäksi useat lääkeyritykset tutkivat superkriittisten nesteiden käyttöä aktiivisten ainesosien uuttamiseksi esimerkiksi yrteistä. Superkriittisiä nesteitä käytetään myös aktiivisesti väliaineena nanopartikkelien tuottamiseen tai erittäin erikoistuneiden kemiallisten reaktioiden indusointiin. Näin ollen superkriittiset nesteet ovat vakiinnuttaneet asemansa edistyneen teknologian ydinmateriaalina, ja niiden sovellusalue laajenee jatkuvasti.
