सिंगुलैरिटी और सुपरक्रिटिकल द्रव: वे हमारे दैनिक जीवन को कैसे प्रभावित करेंगे?

इस ब्लॉग पोस्ट में यह बताया गया है कि सिंगुलैरिटी - जो तकनीकी प्रगति में एक महत्वपूर्ण बिंदु है - और सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के पीछे के वैज्ञानिक सिद्धांत हमारे दैनिक जीवन और उद्योगों को किस प्रकार प्रभावित करते हैं।

"सिंगुलैरिटी आ रही है!" यह वाक्यांश इंटरनेट पर तब गूंज उठा जब कई लोगों ने गूगल के अल्फ़ागो और 9-डैन के पेशेवर ली सेडोल के बीच हुए चौंकाने वाले गो मुकाबले को देखा। यह शब्द गूगल के इंजीनियरिंग निदेशक रे कुर्ज़वील की एक पुस्तक के शीर्षक से प्रसिद्ध हुआ, जिसमें उन्होंने सिंगुलैरिटी को उस बिंदु के रूप में वर्णित किया है जब मानव निर्मित तकनीक मानवीय क्षमताओं से आगे निकल जाती है। दूसरे शब्दों में, लेखक का तर्क है कि सिंगुलैरिटी वह बिंदु है जहाँ मानव तकनीक और मानवीय क्षमताएँ समान हो जाती हैं, और इस सिंगुलैरिटी के बाद अप्रत्याशित घटनाएँ घटेंगी। ये अप्रत्याशित घटनाएँ एक ऐसे भविष्य का संकेत देती हैं जहाँ कृत्रिम बुद्धिमत्ता मानवीय अपेक्षाओं से आगे निकल जाएगी, स्वतंत्र रूप से सीखेगी और विकसित होगी, और मनुष्यों की तरह सोचने और निर्णय लेने में सक्षम होगी।
हालांकि, विलक्षणता शब्द स्वयं एक व्यापक अवधारणा है जिसका प्रयोग गणित और विज्ञान में अक्सर किया जाता है, जो उस बिंदु को संदर्भित करता है जहाँ प्रतिस्पर्धी तत्व तकनीक और मनुष्यों के बीच संतुलन से परे संतुलन प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, गणित में, किसी समीकरण की विशेषताओं को इसके भीतर दो चर के अनुपात से निर्धारित किया जा सकता है। जब इन दो कारकों के परिमाण एक अत्यंत नाजुक संतुलन को प्राप्त करते हैं, तो एक स्थिति उत्पन्न होती है जहाँ समीकरण की विशेषताएं अपरिभाषित हो जाती हैं। इस बिंदु को समीकरण की विलक्षणता कहा जाता है। संतुलन बिंदु के इस व्यापक परिप्रेक्ष्य से विलक्षणता शब्द को समझने से पता चलता है कि हमारे आस-पास के प्रत्येक पदार्थ की अपनी विलक्षणता होती है - एक बिंदु जिसे क्रांतिक बिंदु कहा जाता है जहाँ तरल और गैस की विशेषताएं संतुलन में होती हैं। और एक बार यह क्रांतिक बिंदु पार हो जाने पर, यह ऐसे उपयोगी गुण प्रदर्शित करता है जिनकी हमने कभी कल्पना भी नहीं की थी।
सभी पदार्थ तीन अवस्थाओं में विद्यमान रह सकते हैं। जल पर विचार करें। कम तापमान पर, यह बर्फ़ के रूप में, ठोस अवस्था में विद्यमान रहता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, यह पिघलकर जल, द्रव, में बदल जाता है, और और भी अधिक गर्म होकर उबलता है और भाप, गैस, में बदल जाता है। इस प्रकार, पदार्थ की तीन अवस्थाएँ—ठोस, द्रव और गैस—तापमान के आधार पर बदलती रहती हैं। इसके अलावा, पदार्थ की अवस्था न केवल तापमान के साथ, बल्कि दाब के साथ भी बदलती है। एक स्प्रे कैन में बहुत अधिक दाब पर द्रव होता है, लेकिन जब स्प्रे किया जाता है, तो वह एक अदृश्य गैस के रूप में हवा में निकल जाता है। इस प्रकार, किसी पदार्थ का ठोस, द्रव या गैस के रूप में अस्तित्व, तापमान और दाब दोनों द्वारा निर्धारित होता है। हालाँकि यह हमारे आस-पास एक सामान्य घटना है, लेकिन वैज्ञानिक रूप से जाँच करने पर यह और भी रोचक हो जाती है: प्रत्येक अवस्था केवल विशिष्ट तापमान और दाब पर ही बनी रह सकती है। हम दैनिक जीवन में ठोस अवस्था में जल को द्रव में पिघलते और फिर वाष्पीकृत होकर गैस में बदलते हुए आसानी से देखते हैं, लेकिन इसके पीछे अणुओं के बीच जटिल अंतर्क्रिया छिपी होती है।
तो तापमान और दबाव किसी अवस्था को कैसे बदलते हैं? सबसे पहले, आइए समझते हैं कि तापमान और दबाव क्या दर्शाते हैं। तापमान यह दर्शाता है कि अणु—पदार्थ को बनाने वाले सूक्ष्म कण—कितनी तेजी से गति करते हैं। अर्थात्, कम तापमान पर अणु धीरे-धीरे गति करते हैं, और उच्च तापमान पर वे तेजी से गति करते हैं। इसके विपरीत, दबाव अणुओं के बीच की दूरी को दर्शाता है। उच्च दबाव का अर्थ है कि पदार्थ संपीड़ित होता है, जिससे अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है, जबकि निम्न दबाव उनके बीच की दूरी को बढ़ा देता है। हालाँकि, दबाव के माध्यम से अणुओं के बीच की दूरी को नियंत्रित करने से एक अतिरिक्त प्रभाव उत्पन्न होता है। अणुओं में एक-दूसरे को आकर्षित करने की अंतर्निहित प्रवृत्ति होती है, क्योंकि जब अणु एक-दूसरे के करीब होते हैं तो इस आकर्षक बल की ताकत बढ़ जाती है। इस प्रकार, उच्च दबाव अणुओं को करीब लाता है, उनके पारस्परिक आकर्षण और एक साथ समूह बनाने की प्रवृत्ति को तीव्र करता है। इसके विपरीत, निम्न दबाव अणुओं को एक-दूसरे की ओर खींचने वाले बल को कमजोर कर देता है।
अब, जल पर लौटते हैं। कम तापमान पर, जल के अणु, जिनसे यह बना है, धीमी गति से गति करते हैं। ये धीमी गति से चलने वाले अणु आपसी आकर्षण को पार नहीं कर पाते और बचकर निकल नहीं पाते, जिससे वे आपस में चिपक जाते हैं। इससे एक ठोस अवस्था बनती है जहाँ वे पूरी तरह से स्थिर हो जाते हैं—बर्फ। जब बर्फ का तापमान बढ़ता है, जिससे अणु अधिक तेज़ी से गति कर पाते हैं, तो वे बड़े समूहों में बने रहते हैं, लेकिन आपसी आकर्षण को आंशिक रूप से पार कर पाते हैं, जिससे कुछ आणविक गति संभव हो पाती है। यह जल की द्रव अवस्था है। यदि तापमान और बढ़ता है, तो अणु इतनी तेज़ी से गति करते हैं कि आकर्षण बल उन्हें एक साथ नहीं रख पाते। वे बेतरतीब ढंग से घूमने के लिए स्वतंत्र हो जाते हैं, जिससे गैसीय अवस्था बनती है: जल वाष्प। संक्षेप में, किसी पदार्थ की अवस्था इस बात से निर्धारित होती है कि अणुओं के बीच आकर्षण बल और अणुओं की गति के बीच प्रतिस्पर्धा में कौन सा बल प्रबल होता है। उच्च दाब के साथ आकर्षण बल बढ़ता है, और उच्च तापमान के साथ अणुओं की गति बढ़ती है। इसलिए, किसी पदार्थ की अवस्था तापमान और दाब के आधार पर बदलती रहती है।
अब, तापमान कम किए बिना जलवाष्प को वापस द्रव में बदलने का प्रयास करते हैं। दाब बढ़ाने से जल के अणु एक-दूसरे के करीब आते हैं। इससे उनके बीच आकर्षण बल भी बढ़ता है। यदि दाब पर्याप्त रूप से बढ़ाया जाए, तो आपसी आकर्षण इतना प्रबल हो जाता है कि तेज़ी से निकल रहे अणुओं को भी रोक लेता है, जिससे पदार्थ पुनः द्रव में बदल जाता है। लेकिन क्या दाब बढ़ाने से हमेशा गैस द्रव में बदल जाती है?
सीधा जवाब: नहीं। दबाव बढ़ाने से अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है और उनका आपसी आकर्षण बढ़ जाता है। लेकिन इस आकर्षण की प्रबलता की एक निश्चित सीमा होती है। ऐसा इसलिए क्योंकि एक बार अणुओं को इस हद तक संकुचित कर दिया जाए कि वे एक-दूसरे को बिना किसी अंतराल के छू लें, तो वे और करीब नहीं आ सकते। इसके विपरीत, तापमान को अनिश्चित काल तक बढ़ाया जा सकता है जब तक कि अणुओं के भीतर समस्याएँ उत्पन्न न हो जाएँ या वे टूट न जाएँ। इसलिए, एक निश्चित तापमान पार हो जाने पर, दबाव और तापमान के बीच प्रतिस्पर्धा समाप्त हो जाती है। दबाव चाहे कितना भी बढ़ा दिया जाए, यह इतना आणविक आकर्षण पैदा नहीं कर सकता कि तेज़ी से गतिमान अणुओं को जकड़ सके, इसलिए गैस द्रव नहीं बनती। तापमान और दबाव के बीच प्रतिस्पर्धा टूटने से ठीक पहले के इस अंतिम संतुलन बिंदु को क्रांतिक बिंदु कहा जाता है। इसे पदार्थ की एक विलक्षणता के रूप में भी देखा जा सकता है।
हालाँकि, सिर्फ़ इसलिए कि कोई पदार्थ क्रांतिक बिंदु के तापमान और दाब से आगे द्रव नहीं बन सकता, इसका मतलब यह नहीं कि वह उस बिंदु से आगे गैस के रूप में मौजूद रहेगा। क्रांतिक बिंदु के पार, हालाँकि वह द्रव बनाने लायक़ तरल नहीं होता, अणुओं के बीच की दूरी बहुत कम हो जाती है, जिससे वे एक-दूसरे को प्रबल बलों से आकर्षित करते हैं। इसलिए, भले ही अणु द्रव की तरह एक साथ समूहबद्ध न हों, वे गैस की तरह पूरी तरह से स्वतंत्र रूप से गति नहीं कर सकते। एक पदार्थ जो क्रांतिक बिंदु को पार कर चुका है और न तो द्रव है और न ही गैस, उसे अतिक्रांतिक द्रव कहते हैं।
अति-क्रिटिकल द्रव ऐसे गुण प्रदर्शित करते हैं जो सामान्य द्रवों या गैसों में दुर्लभ होते हैं, विशेष रूप से अत्यंत कम श्यानता और अन्य पदार्थों के लिए उच्च विलेयता। कम श्यानता का अर्थ है उच्च भेदन क्षमता। इसे इस बात से आसानी से समझा जा सकता है कि जब रेत पर पानी डाला जाता है, तो वह कणों के बीच हर कोने में प्रवेश कर जाता है और नीचे बह जाता है, जबकि शहद, जिसकी श्यानता पानी से अधिक होती है, मुश्किल से बहता है और केवल थोड़ा सा ही रेत में समाता है।
संक्षेप में, निष्कर्षण विलायक के रूप में सुपरक्रिटिकल द्रव का उपयोग करने से यह हर जगह प्रवेश कर सकता है और वांछित लक्षित पदार्थ को घोल सकता है। तिल का तेल निकालने के लिए तिल को दबाने पर, लिग्निन नामक एक एंटीऑक्सीडेंट नहीं घुलता। हालाँकि, निष्कर्षण के लिए सुपरक्रिटिकल द्रव का उपयोग करने से इसकी उपज 10,000 गुना से भी अधिक बढ़ सकती है। इस तरह से निकाला गया तिल का तेल वास्तव में व्यावसायिक रूप से बेचा जाता है। इसके अलावा, सुपरक्रिटिकल द्रव का उपयोग कॉफी से कैफीन निकालने की प्रक्रिया में चुनिंदा रूप से केवल कैफीन निकालने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, कई दवा कंपनियाँ जड़ी-बूटियों जैसे पदार्थों से सक्रिय तत्व निकालने के लिए सुपरक्रिटिकल द्रवों के उपयोग पर शोध कर रही हैं। सुपरक्रिटिकल द्रवों का उपयोग नैनोकणों के उत्पादन या अत्यधिक विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करने के लिए एक माध्यम के रूप में भी सक्रिय रूप से किया जाता है। इस प्रकार, सुपरक्रिटिकल द्रवों ने उन्नत प्रौद्योगिकी में खुद को एक प्रमुख पदार्थ के रूप में स्थापित कर लिया है, और उनके अनुप्रयोगों का दायरा लगातार बढ़ रहा है।