Ovaj blog post istražuje kako znanstveni principi iza Singularnosti - ključne točke u tehnološkom napretku - i superkritičnih fluida utječu na naš svakodnevni život i industrije.
„Singularnost dolazi!“ Ova je fraza odjeknula internetom nakon što su mnogi svjedočili šokantnoj Go utakmici između Googleovog AlphaGoa i Leeja Sedola, profesionalca s 9. danom. Izraz je stekao slavu kao naslov knjige Raya Kurzweila, Googleovog direktora inženjerstva, koji opisuje Singularnost kao točku u kojoj tehnologija koju je stvorio čovjek nadmašuje ljudske sposobnosti. Drugim riječima, autor tvrdi da je singularnost točka u kojoj ljudska tehnologija i ljudske sposobnosti postaju jednake te da će se izvan te singularnosti dogoditi nepredviđeni događaji. Ovi nepredviđeni događaji odnose se na budućnost u kojoj umjetna inteligencija nadmašuje ljudska očekivanja, uči i razvija se samostalno, sposobna razmišljati i donositi odluke poput ljudi.
Međutim, sam pojam singularnosti je širi koncept koji se često koristi u matematici i znanosti, a odnosi se na točku u kojoj konkurentski elementi postižu ravnotežu, nadilazeći samu ravnotežu između tehnologije i ljudi. Na primjer, u matematici, karakteristike jednadžbe mogu se odrediti omjerom dviju varijabli unutar nje. Kada veličine ova dva faktora postignu izuzetno osjetljivu ravnotežu, nastaje situacija u kojoj karakteristike jednadžbe postaju nedefinirane. Ta se točka naziva singularnost jednadžbe. Razumijevanje pojma singularnosti iz ove šire perspektive točke ravnoteže otkriva da svaka tvar oko nas ima svoju singularnost - točku koja se naziva kritična točka gdje su karakteristike tekućine i plina u ravnoteži. A nakon što se prijeđe ta kritična točka, ona pokazuje korisna svojstva koja nikada nismo zamišljali.
Sva materija može postojati u tri agregatna stanja. Razmotrimo vodu. Na niskim temperaturama postoji kao led, čvrsto stanje. Kako temperatura raste, topi se u vodu, tekućinu, a postaje još toplija, vrije i pretvara se u paru, plin. Dakle, tri agregatna stanja materije - čvrsto, tekuće i plinovito - mijenjaju se ovisno o temperaturi. Štoviše, agregatno stanje materije mijenja se ne samo s temperaturom već i s tlakom. Sprej sadrži tekućinu pod vrlo visokim tlakom, ali kada se rasprši, ona se izbacuje u zrak kao nevidljivi plin. Dakle, postoji li tvar kao čvrsto, tekuće ili plinovito stanje određeno je i temperaturom i tlakom. Iako je to uobičajena pojava oko nas, postaje još fascinantnija kada se znanstveno ispita: svako stanje može se održati samo na određenim temperaturama i tlakovima. U svakodnevnom životu lako promatramo vodu u čvrstom stanju kako se topi u tekućinu, a zatim isparava u plin, no iza toga leži složena interakcija molekula.
Kako temperatura i tlak mijenjaju stanje? Prvo, shvatimo što temperatura i tlak znače. Temperatura pokazuje koliko se brzo kreću molekule - sitne čestice koje čine materiju. To jest, na niskim temperaturama molekule se kreću sporo, a na visokim temperaturama brzo. Suprotno tome, tlak označava udaljenost između molekula. Visoki tlak znači da je tvar komprimirana, smanjujući udaljenost između molekula, dok niski tlak povećava udaljenost između njih. Međutim, reguliranje udaljenosti između molekula tlakom proizvodi dodatni učinak. Molekule imaju inherentnu tendenciju da se međusobno privlače, jer se snaga ove privlačne sile povećava kada su molekule bliže jedna drugoj. Dakle, viši tlak približava molekule, pojačavajući njihovo međusobno privlačenje i tendenciju grupiranja. Suprotno tome, niži tlak slabi silu koja vuče molekule jednu prema drugoj.
Vratimo se sada vodi. Na niskim temperaturama, molekule vode koje je čine kreću se sporo. Ove sporo pokretne molekule ne mogu prevladati međusobnu privlačnost i pobjeći, što uzrokuje njihovo zgrudnjavanje. To rezultira čvrstim stanjem u kojem su potpuno imobilizirane - ledom. Kada temperatura leda poraste, omogućujući molekulama da se brže kreću, one ostaju skupljene u velike skupine, ali mogu djelomično prevladati međusobnu privlačnost, omogućujući određeno molekularno kretanje. Ovo je tekuće stanje vode. Ako temperatura dodatno poraste, molekule se kreću tako brzo da ih privlačne sile više ne mogu držati zajedno. Postaju slobodne i nasumično se kreću, tvoreći plinovito stanje: vodenu paru. Ukratko, stanje tvari određeno je time koja sila prevladava u konkurenciji između privlačne sile među molekulama i brzine molekula. Privlačna sila raste s višim tlakom, a brzina molekula raste s višom temperaturom. Stoga se stanje tvari mijenja ovisno o temperaturi i tlaku.
Sada pokušajmo pretvoriti vodenu paru natrag u tekućinu bez snižavanja temperature. Povećanje tlaka zbližava molekule vode. To također povećava silu privlačenja među njima. Ako se tlak dovoljno poveća, međusobna privlačnost postaje dovoljno jaka da zadrži čak i molekule koje brzo bježe, uzrokujući da se tvar vrati u tekućinu. Ali pretvara li povećanje tlaka uvijek plin u tekućinu?
Da odgovorim odmah: ne. Povećanje tlaka smanjuje udaljenost između molekula i pojačava njihovu međusobnu privlačnost. Ali postoji određena granica koliko jaka ta privlačnost može postati. To je zato što se molekule, nakon što se komprimiraju dok se ne dodirnu bez ikakvih praznina, ne mogu više približiti. Nasuprot tome, temperatura se može neograničeno povećavati sve dok se ne pojave problemi unutar samih molekula ili se one ne raspadnu. Stoga, nakon što se prijeđe određena temperatura, konkurencija između tlaka i temperature prestaje. Bez obzira koliko se tlak poveća, ne može stvoriti molekularnu privlačnost dovoljno jaku da uhvati brzo pokretne molekule, pa plin ne postaje tekućina. Ova konačna ravnotežna točka, neposredno prije nego što se konkurencija između temperature i tlaka prekine, naziva se kritična točka. To se također može smatrati singularnošću tvari.
Međutim, samo zato što tvar ne može postati tekućina iznad temperature i tlaka kritične točke ne znači da postoji kao plin iznad te točke. Iznad kritične točke, iako nije dovoljno tekuća da bi formirala tekućinu, udaljenost između molekula postaje vrlo mala, što uzrokuje njihovo međusobno privlačenje jakim silama. Stoga, iako molekule nisu skupljene zajedno kao u tekućini, ne mogu se potpuno slobodno kretati kao u plinu. Tvar koja je prešla kritičnu točku i nije ni tekućina ni plin naziva se superkritični fluid.
Superkritični fluidi pokazuju svojstva koja se rijetko viđaju kod običnih tekućina ili plinova, posebno izuzetno nisku viskoznost i visoku topljivost za druge tvari. Niska viskoznost znači visoku penetrirajuću moć. To se lako može razumjeti ako se prisjetimo da kada se voda izlije na pijesak, ona prožima svaki kutak i pukotinu između zrnaca i istječe ispod, dok med, koji ima veću viskoznost od vode, jedva teče i samo se neznatno upija u pijesak.
Ukratko, korištenje superkritične tekućine kao otapala za ekstrakciju omogućuje joj prodiranje svugdje, otapajući željeni ciljni materijal. Prilikom prešanja sjemenki sezama za ekstrakciju sezamovog ulja, antioksidans nazvan lignin se ne otapa. Međutim, korištenje superkritične tekućine za ekstrakciju može povećati prinos za više od 10 000 puta. Sezamovo ulje ekstrahirano na ovaj način zapravo se komercijalno prodaje. Nadalje, superkritična tekućina se koristi u procesu dekofeinizacije kave kako bi se selektivno uklonio samo kofein. Osim toga, brojne farmaceutske tvrtke istražuju upotrebu superkritičnih tekućina za ekstrakciju aktivnih sastojaka iz tvari poput bilja. Superkritične tekućine se također aktivno koriste kao medij za proizvodnju nanočestica ili poticanje visoko specijaliziranih kemijskih reakcija. Stoga su se superkritične tekućine etablirale kao ključni materijal u naprednoj tehnologiji, a njihov raspon primjene nastavlja se širiti.
