Ez a blogbejegyzés azt vizsgálja, hogy a szingularitás – a technológiai fejlődés egyik sarkalatos pontja – és a szuperkritikus folyadékok mögött álló tudományos elvek hogyan befolyásolják mindennapi életünket és iparágainkat.
„Jön a Szingularitás!” Ez a kifejezés visszhangzott az interneten, miután sokan tanúi voltak a Google AlphaGo robotja és Lee Sedol, egy 9 danos profi megdöbbentő Go-meccsének. A kifejezés Ray Kurzweil, a Google mérnöki igazgatójának könyve címeként vált ismertté, aki a Szingularitást úgy írja le, mint azt a pontot, amikor az ember alkotta technológia meghaladja az emberi képességeket. Más szóval, a szerző azt állítja, hogy a szingularitás az a pont, ahol az emberi technológia és az emberi képességek egyenlővé válnak, és hogy ezen a szingularitáson túl előre nem látható események fognak bekövetkezni. Ezek az előre nem látható események egy olyan jövőre utalnak, ahol a mesterséges intelligencia felülmúlja az emberi elvárásokat, önállóan tanul és fejlődik, képes az emberekhez hasonlóan gondolkodni és döntéseket hozni.
Maga a szingularitás kifejezés azonban egy tágabb fogalom, amelyet gyakran használnak a matematikában és a természettudományokban, és arra a pontra utal, ahol a versengő elemek egyensúlyba kerülnek, túlmutatva a technológia és az emberek közötti egyensúlyon. Például a matematikában egy egyenlet jellemzőit két benne lévő változó aránya határozhatja meg. Amikor e két tényező nagysága rendkívül kényes egyensúlyba kerül, olyan helyzet áll elő, ahol az egyenlet jellemzői meghatározhatatlanná válnak. Ezt a pontot az egyenlet szingularitásának nevezzük. Ha a szingularitás kifejezést ebből a tágabb, egyensúlyi pontként értelmezzük, kiderül, hogy minden körülöttünk lévő anyagnak megvan a saját szingularitása – egy pont, amelyet kritikus pontnak nevezünk, ahol a folyadék és a gáz jellemzői egyensúlyban vannak. És ha ezt a kritikus pontot átlépjük, olyan hasznos tulajdonságokat mutat, amelyekről korábban álmodni sem mertünk.
Minden anyag három halmazállapotban létezhet. Vegyük például a vizet. Alacsony hőmérsékleten jégként, szilárd halmazállapotban létezik. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, vízzé, folyadékká olvad, majd még melegebbé válik, felforr és gőzzé, gázzá alakul. Így az anyag három halmazállapota – szilárd, folyékony és gáz – a hőmérséklettől függően változik. Sőt, az anyag halmazállapota nemcsak a hőmérséklettel, hanem a nyomással is változik. Egy szóróflakon nagyon nagy nyomás alatt lévő folyadékot tartalmaz, de permetezéskor láthatatlan gázként a levegőbe kerül. Így azt, hogy egy anyag szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotban létezik, mind a hőmérséklet, mind a nyomás határozza meg. Bár ez egy gyakori jelenség körülöttünk, tudományos vizsgálat során még lenyűgözőbbé válik: minden halmazállapot csak meghatározott hőmérsékleten és nyomáson tartható fenn. A mindennapi életben könnyen megfigyelhetjük, ahogy a víz szilárd halmazállapotban folyadékká olvad, majd gázzá párolog, de e mögött a molekulák közötti összetett kölcsönhatás húzódik meg.
Hogyan változtatja meg a hőmérséklet és a nyomás egy halmazállapotot? Először is, nézzük meg, mit jelent a hőmérséklet és a nyomás. A hőmérséklet azt jelzi, hogy milyen gyorsan mozognak a molekulák – az anyagot alkotó apró részecskék. Vagyis alacsony hőmérsékleten a molekulák lassan, magas hőmérsékleten pedig gyorsan mozognak. Ezzel szemben a nyomás a molekulák közötti távolságot jelzi. A nagy nyomás azt jelenti, hogy az anyag összenyomódik, ami csökkenti a molekulák közötti távolságot, míg az alacsony nyomás növeli a köztük lévő távolságot. A molekulák közötti távolság nyomással történő szabályozása azonban további hatást vált ki. A molekuláknak inherens hajlamuk van arra, hogy vonzzák egymást, mivel ennek a vonzóerőnek az erőssége növekszik, amikor a molekulák közelebb vannak egymáshoz. Így a nagyobb nyomás közelebb hozza a molekulákat, fokozva kölcsönös vonzásukat és a klaszterek kialakulásának hajlamát. Ezzel szemben az alacsonyabb nyomás gyengíti a molekulákat egymás felé húzó erőt.
Most térjünk vissza a vízhez. Alacsony hőmérsékleten a vízmolekulák, amelyek alkotják, lassan mozognak. Ezek a lassan mozgó molekulák nem tudják leküzdeni a kölcsönös vonzást és kiszabadulni, aminek következtében összecsomósodnak. Ez szilárd halmazállapotot eredményez, ahol teljesen rögzítetlenek – jég. Amikor a jég hőmérséklete emelkedik, lehetővé téve a molekulák gyorsabb mozgását, nagy csoportokban maradnak, de részben leküzdhetik a kölcsönös vonzást, lehetővé téve bizonyos molekuláris mozgást. Ez a víz folyékony halmazállapota. Ha a hőmérséklet tovább emelkedik, a molekulák olyan gyorsan mozognak, hogy a vonzóerők már nem tudják őket összetartani. Szabadon mozoghatnak véletlenszerűen, gáznemű halmazállapotot képezve: vízgőzt. Összefoglalva, egy anyag halmazállapotát az határozza meg, hogy melyik erő érvényesül a molekulák közötti vonzóerő és a molekulák sebessége közötti versenyben. A vonzóerő a nagyobb nyomással, a molekulák sebessége pedig a magasabb hőmérséklettel növekszik. Ezért egy anyag halmazállapota a hőmérséklettől és a nyomástól függően változik.
Most próbáljuk meg a vízgőzt visszaalakítani folyékony halmazállapotúvá a hőmérséklet csökkentése nélkül. A növekvő nyomás közelebb hozza a vízmolekulákat egymáshoz. Ez a köztük lévő vonzóerőt is növeli. Ha a nyomást kellőképpen megnövelik, a kölcsönös vonzás elég erőssé válik ahhoz, hogy még a gyorsan távozó molekulákat is megtartsa, aminek következtében az anyag visszaalakul folyékony halmazállapotúvá. De vajon a növekvő nyomás mindig folyékony halmazállapotúvá alakítja a gázt?
Előrebocsátom: nem. A növekvő nyomás csökkenti a molekulák közötti távolságot és erősíti kölcsönös vonzásukat. De van egy határozott határa annak, hogy mennyire erős lehet ez a vonzás. Ez azért van, mert ha a molekulákat addig nyomjuk össze, amíg rés nélkül össze nem érnek, akkor nem kerülhetnek közelebb egymáshoz. Ezzel szemben a hőmérséklet a végtelenségig emelhető, amíg problémák nem merülnek fel magukban a molekulákban, vagy el nem bomlanak. Ezért, ha a hőmérséklet egy adott értéket túllép, a nyomás és a hőmérséklet közötti verseny megszűnik. Nem számít, mennyire növekszik a nyomás, nem tud olyan erős molekuláris vonzást létrehozni, amely megragadná a gyorsan mozgó molekulákat, így a gáz nem válik folyékony halmazállapotúvá. Ezt a végső egyensúlyi pontot, közvetlenül mielőtt a hőmérséklet és a nyomás közötti verseny megszűnik, kritikus pontnak nevezzük. Ez az anyag szingularitásaként is tekinthető.
Azonban az, hogy egy anyag nem tud folyékony halmazállapotúvá válni a kritikus pont hőmérséklete és nyomása felett, nem jelenti azt, hogy ezen a ponton túl gáz halmazállapotúként létezik. A kritikus ponton túl, bár nem elég folyékony ahhoz, hogy folyadékot képezzen, a molekulák közötti távolság nagyon kicsivé válik, aminek következtében erős erőkkel vonzzák egymást. Ezért, bár a molekulák nincsenek csoportosulva, mint egy folyadékban, nem mozoghatnak teljesen szabadon, mint egy gázban. Azt az anyagot, amely átlépte a kritikus pontot, és se nem folyékony, se nem gáz, szuperkritikus folyadéknak nevezzük.
A szuperkritikus folyadékok olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek ritkán láthatók a hagyományos folyadékokban vagy gázokban, nevezetesen rendkívül alacsony viszkozitással és más anyagok magas oldhatóságával. Az alacsony viszkozitás nagy behatolóképességet jelent. Ez könnyen érthető, ha felidézzük, hogy amikor vizet öntünk a homokra, az áthatol a szemcsék közötti minden rést és repedést, és alulról kifolyik, míg a méz, amelynek nagyobb a viszkozitása, mint a víznek, alig folyik, és csak kis mértékben szívódik fel a homokba.
Röviden, a szuperkritikus folyadék extrakciós oldószerként való használata lehetővé teszi, hogy mindenhová behatoljon, és feloldja a kívánt célanyagot. Amikor szezámmagot préselnek a szezámolaj kinyeréséhez, egy lignin nevű antioxidáns nem oldódik fel. A szuperkritikus folyadék extrakcióhoz való használata azonban több mint 10 000-szeresére növelheti a hozamát. Az így kivont szezámolajat valójában kereskedelmi forgalomban is értékesítik. Ezenkívül a szuperkritikus folyadékot a kávé koffeinmentesítési folyamatában használják, hogy szelektíven csak a koffeint távolítsák el. Ezen túlmenően számos gyógyszeripari vállalat kutatja a szuperkritikus folyadékok alkalmazását hatóanyagok kinyerésére olyan anyagokból, mint a gyógynövények. A szuperkritikus folyadékokat aktívan alkalmazzák nanorészecskék előállítására vagy speciális kémiai reakciók kiváltására szolgáló közegként is. Így a szuperkritikus folyadékok a fejlett technológia alapvető anyagává váltak, és alkalmazási körük folyamatosan bővül.
