Questo articolo del blog esplora il modo in cui i principi scientifici alla base della Singolarità, un punto cruciale nel progresso tecnologico, e dei fluidi supercritici influenzano la nostra vita quotidiana e le nostre industrie.
"La Singolarità sta arrivando!" Questa frase ha risuonato in rete dopo che molti hanno assistito alla scioccante partita di Go tra AlphaGo di Google e Lee Sedol, un professionista 9-dan. Il termine è diventato famoso come titolo di un libro di Ray Kurzweil, direttore dell'ingegneria di Google, che descrive la Singolarità come il punto in cui la tecnologia creata dall'uomo supera le capacità umane. In altre parole, l'autore sostiene che la Singolarità è il punto in cui la tecnologia umana e le capacità umane diventano pari, e che oltre questa Singolarità, si verificheranno eventi imprevisti. Questi eventi imprevisti si riferiscono a un futuro in cui l'intelligenza artificiale supererà le aspettative umane, imparando ed evolvendosi in modo indipendente, in grado di pensare e prendere decisioni come gli esseri umani.
Tuttavia, il termine "singolarità" è un concetto più ampio, frequentemente utilizzato in matematica e scienze, che si riferisce al punto in cui elementi in competizione raggiungono l'equilibrio, al di là del semplice equilibrio tra tecnologia e esseri umani. Ad esempio, in matematica, le caratteristiche di un'equazione possono essere determinate dal rapporto tra due variabili al suo interno. Quando le grandezze di questi due fattori raggiungono un equilibrio estremamente delicato, si verifica una situazione in cui le caratteristiche dell'equazione diventano indefinibili. Questo punto è chiamato singolarità dell'equazione. Comprendere il termine "singolarità" da questa prospettiva più ampia di punto di equilibrio rivela che ogni sostanza che ci circonda ha la sua singolarità, un punto chiamato punto critico in cui le caratteristiche di liquido e gas sono in equilibrio. E una volta superato questo punto critico, mostra proprietà utili che non avremmo mai immaginato.
Tutta la materia può esistere in tre stati. Consideriamo l'acqua. A basse temperature, esiste come ghiaccio, uno stato solido. All'aumentare della temperatura, si scioglie in acqua, uno stato liquido, e diventa ancora più calda, bolle e si trasforma in vapore, uno stato gassoso. Pertanto, i tre stati della materia – solido, liquido e gassoso – cambiano a seconda della temperatura. Inoltre, lo stato della materia cambia non solo con la temperatura, ma anche con la pressione. Una bomboletta spray contiene liquido ad altissima pressione, ma quando viene spruzzata, viene espulsa nell'aria come un gas invisibile. Pertanto, se una sostanza esiste come solido, liquido o gassoso è determinato sia dalla temperatura che dalla pressione. Sebbene questo sia un fenomeno comune intorno a noi, diventa ancora più affascinante se esaminato scientificamente: ogni stato può essere mantenuto solo a temperature e pressioni specifiche. Osserviamo facilmente l'acqua allo stato solido che si scioglie in un liquido e poi vaporizza in un gas nella vita di tutti i giorni, eppure dietro questo si cela la complessa interazione tra le molecole.
Quindi, in che modo temperatura e pressione modificano uno stato? Innanzitutto, capiamo cosa significano temperatura e pressione. La temperatura indica la velocità con cui si muovono le molecole, le minuscole particelle che compongono la materia. Cioè, a basse temperature, le molecole si muovono lentamente, mentre ad alte temperature si muovono rapidamente. Al contrario, la pressione indica la distanza tra le molecole. Un'alta pressione significa che la sostanza è compressa, riducendo la distanza tra le molecole, mentre una bassa pressione aumenta la distanza tra esse. Tuttavia, regolare la distanza tra le molecole attraverso la pressione produce un effetto aggiuntivo. Le molecole possiedono una tendenza intrinseca ad attrarsi, poiché l'intensità di questa forza attrattiva aumenta quanto più le molecole sono vicine tra loro. Pertanto, una pressione più elevata avvicina le molecole, intensificando la loro attrazione reciproca e la tendenza ad aggregarsi. Al contrario, una pressione più bassa indebolisce la forza che attrae le molecole l'una verso l'altra.
Torniamo ora all'acqua. A basse temperature, le molecole d'acqua che la compongono si muovono lentamente. Queste molecole, che si muovono lentamente, non riescono a superare l'attrazione reciproca e a liberarsi, aggregandosi. Questo si traduce in uno stato solido in cui sono completamente immobilizzate: il ghiaccio. Quando la temperatura del ghiaccio aumenta, consentendo alle molecole di muoversi più rapidamente, queste rimangono raggruppate in grandi gruppi, ma possono parzialmente superare l'attrazione reciproca, consentendo un certo movimento molecolare. Questo è lo stato liquido dell'acqua. Se la temperatura aumenta ulteriormente, le molecole si muovono così rapidamente che le forze attrattive non riescono più a tenerle unite. Diventano libere di muoversi in modo casuale, formando lo stato gassoso: il vapore acqueo. Riassumendo, lo stato di una sostanza è determinato dalla forza che prevale nella competizione tra la forza attrattiva tra le molecole e la velocità delle molecole stesse. La forza attrattiva aumenta con l'aumentare della pressione e la velocità delle molecole aumenta con l'aumentare della temperatura. Pertanto, lo stato di una sostanza cambia a seconda della temperatura e della pressione.
Ora, proviamo a trasformare il vapore acqueo di nuovo in liquido senza abbassare la temperatura. L'aumento della pressione avvicina le molecole d'acqua. Questo aumenta anche la forza di attrazione tra loro. Se la pressione aumenta sufficientemente, l'attrazione reciproca diventa abbastanza forte da trattenere anche le molecole che fuggono rapidamente, facendo sì che la sostanza torni allo stato liquido. Ma l'aumento della pressione trasforma sempre un gas in un liquido?
Per rispondere subito: no. L'aumento della pressione riduce la distanza tra le molecole e rafforza la loro attrazione reciproca. Ma esiste un limite preciso a quanto forte possa diventare questa attrazione. Questo perché una volta che le molecole vengono compresse fino a toccarsi senza lasciare spazi vuoti, non possono avvicinarsi ulteriormente. Al contrario, la temperatura può essere aumentata indefinitamente fino a quando non sorgono problemi all'interno delle molecole stesse o queste si disgregano. Pertanto, una volta superata una temperatura specifica, la competizione tra pressione e temperatura termina. Non importa quanto la pressione venga aumentata, non può creare un'attrazione molecolare abbastanza forte da catturare le molecole in rapido movimento, quindi il gas non diventa liquido. Questo punto di equilibrio finale, appena prima che la competizione tra temperatura e pressione si interrompa, è chiamato punto critico. Questo può anche essere visto come una singolarità della sostanza.
Tuttavia, il fatto che una sostanza non possa diventare liquida oltre la temperatura e la pressione del punto critico non significa che esista allo stato gassoso oltre quel punto. Oltre il punto critico, sebbene non sia sufficientemente liquida da formare un liquido, la distanza tra le molecole diventa molto ridotta, facendo sì che si attraggano con forze intense. Pertanto, anche se le molecole non sono raggruppate come in un liquido, non possono muoversi completamente liberamente come in un gas. Una sostanza che ha superato il punto critico e non è né liquida né gassosa è chiamata fluido supercritico.
I fluidi supercritici presentano proprietà raramente riscontrabili nei liquidi o nei gas ordinari, in particolare una viscosità estremamente bassa e un'elevata solubilità per altre sostanze. Una bassa viscosità implica un elevato potere penetrante. Questo può essere facilmente compreso ricordando che quando l'acqua viene versata sulla sabbia, permea ogni angolo e fessura tra i granelli e scorre verso l'esterno, mentre il miele, che ha una viscosità maggiore dell'acqua, scorre a malapena e si impregna solo leggermente nella sabbia.
In breve, l'utilizzo di un fluido supercritico come solvente di estrazione gli consente di penetrare ovunque, dissolvendo il materiale desiderato. Quando si pressano i semi di sesamo per estrarne l'olio, un antiossidante chiamato lignina non si dissolve. Tuttavia, l'utilizzo di un fluido supercritico per l'estrazione può aumentare la resa di oltre 10,000 volte. L'olio di sesamo estratto in questo modo viene effettivamente venduto commercialmente. Inoltre, il fluido supercritico viene utilizzato nel processo di decaffeinizzazione del caffè per rimuovere selettivamente solo la caffeina. Oltre a ciò, numerose aziende farmaceutiche stanno studiando l'uso di fluidi supercritici per estrarre principi attivi da sostanze come le erbe. I fluidi supercritici sono anche attivamente impiegati come mezzo per la produzione di nanoparticelle o per indurre reazioni chimiche altamente specializzate. Pertanto, i fluidi supercritici si sono affermati come materiali fondamentali nella tecnologia avanzata e il loro campo di applicazioni continua ad espandersi.
