Šajā emuāra ierakstā tiek pētīts, kā singularitātes — tehnoloģiskās attīstības pagrieziena punkta — un superkritisko šķidrumu zinātniskie principi ietekmē mūsu ikdienas dzīvi un nozares.
“Singularitāte tuvojas!” Šī frāze atbalsojās internetā pēc tam, kad daudzi bija liecinieki šokējošajai Go spēlei starp Google AlphaGo un Lī Sedolu, 9. dana profesionāli. Šis termins ieguva slavu kā Google inženierijas direktora Reja Kurcveila grāmatas nosaukums, kurā viņš singularitāti apraksta kā brīdi, kad cilvēka radītās tehnoloģijas pārspēj cilvēka spējas. Citiem vārdiem sakot, autors apgalvo, ka singularitāte ir brīdis, kad cilvēka tehnoloģijas un cilvēka spējas kļūst vienlīdzīgas, un ka ārpus šīs singularitātes notiks neparedzēti notikumi. Šie neparedzētie notikumi attiecas uz nākotni, kurā mākslīgais intelekts pārsniegs cilvēku cerības, mācoties un attīstoties patstāvīgi, spējot domāt un pieņemt lēmumus tāpat kā cilvēki.
Tomēr pats termins "singularitāte" ir plašāks jēdziens, ko bieži lieto matemātikā un zinātnē, atsaucoties uz punktu, kurā konkurējošie elementi sasniedz līdzsvaru, pārsniedzot tikai līdzsvaru starp tehnoloģijām un cilvēkiem. Piemēram, matemātikā vienādojuma raksturlielumus var noteikt ar divu mainīgo attiecību tajā. Kad šo divu faktoru lielumi sasniedz ārkārtīgi delikātu līdzsvaru, rodas situācija, kad vienādojuma raksturlielumi kļūst nedefinējami. Šo punktu sauc par vienādojuma singularitāti. Izpratne par terminu "singularitāte" no šī plašākā līdzsvara punkta perspektīvas atklāj, ka katrai vielai ap mums ir sava singularitāte — punkts, ko sauc par kritisko punktu, kur šķidruma un gāzes raksturlielumi ir līdzsvarā. Un, kad šis kritiskais punkts ir šķērsots, tā uzrāda noderīgas īpašības, par kurām mēs nekad nebūtu iedomājušies.
Visa matērija var pastāvēt trīs stāvokļos. Apsveriet ūdeni. Zemā temperatūrā tā pastāv kā ledus, cietā stāvoklī. Temperatūrai paaugstinoties, tā kūst ūdenī, šķidrumā, un kļūst vēl karstāka, tā vārās un pārvēršas tvaikā, gāzē. Tādējādi trīs vielas stāvokļi — cieta, šķidra un gāzveida — mainās atkarībā no temperatūras. Turklāt vielas stāvoklis mainās ne tikai atkarībā no temperatūras, bet arī atkarībā no spiediena. Aerosola baloniņš satur šķidrumu zem ļoti augsta spiediena, bet, izsmidzinot, tas tiek izvadīts gaisā kā neredzama gāze. Tādējādi to, vai viela pastāv kā cieta, šķidra vai gāzveida viela, nosaka gan temperatūra, gan spiediens. Lai gan šī ir izplatīta parādība mums apkārt, tā kļūst vēl aizraujošāka, ja to pēta zinātniski: katru stāvokli var uzturēt tikai noteiktā temperatūrā un spiedienā. Ikdienā mēs viegli novērojam, kā ūdens cietā stāvoklī kūst šķidrumā un pēc tam iztvaiko gāzē, tomēr aiz tā slēpjas sarežģīta mijiedarbība starp molekulām.
Tātad, kā temperatūra un spiediens maina stāvokli? Vispirms sapratīsim, ko nozīmē temperatūra un spiediens. Temperatūra norāda, cik ātri pārvietojas molekulas — sīkās daļiņas, kas veido vielu. Tas ir, zemā temperatūrā molekulas pārvietojas lēni, bet augstā temperatūrā — ātri. Savukārt spiediens norāda attālumu starp molekulām. Augsts spiediens nozīmē, ka viela tiek saspiesta, samazinot attālumu starp molekulām, savukārt zems spiediens palielina attālumu starp tām. Tomēr attāluma starp molekulām regulēšana ar spiediena palīdzību rada papildu efektu. Molekulām piemīt iedzimta tieksme pievilkt viena otru, jo šī pievilkšanās spēka stiprums palielinās, kad molekulas atrodas tuvāk viena otrai. Tādējādi augstāks spiediens satuvina molekulas, pastiprinot to savstarpējo pievilkšanos un tieksmi veidoties kopā. Savukārt zemāks spiediens vājina spēku, kas pievelk molekulas vienu otrai pretī.
Tagad atgriezīsimies pie ūdens. Zemā temperatūrā ūdens molekulas, kas to veido, pārvietojas lēni. Šīs lēni kustīgās molekulas nevar pārvarēt savstarpējo pievilkšanās spēku un aizbēgt, kā rezultātā tās salīp kopā. Tā rezultātā rodas ciets stāvoklis, kurā tās ir pilnībā nekustīgas — ledus. Kad ledus temperatūra paaugstinās, ļaujot molekulām kustēties ātrāk, tās paliek sagrupētas lielās grupās, bet var daļēji pārvarēt savstarpējo pievilkšanās spēku, nodrošinot zināmu molekulu kustību. Šis ir ūdens šķidrais stāvoklis. Ja temperatūra vēl vairāk paaugstinās, molekulas pārvietojas tik ātri, ka pievilkšanās spēki vairs nevar tās noturēt kopā. Tās kļūst brīvas un var nejauši pārvietoties, veidojot gāzveida stāvokli: ūdens tvaikus. Rezumējot, vielas stāvokli nosaka tas, kurš spēks dominē konkurencē starp pievilkšanās spēku starp molekulām un molekulu ātrumu. Pievilkšanās spēks palielinās, palielinoties spiedienam, un molekulu ātrums palielinās, palielinoties temperatūrai. Tāpēc vielas stāvoklis mainās atkarībā no temperatūras un spiediena.
Tagad mēģināsim ūdens tvaikus pārvērst atpakaļ šķidrumā, nepazeminot temperatūru. Pieaugot spiedienam, ūdens molekulas satuvinās. Tas arī palielina pievilkšanās spēku starp tām. Ja spiediens tiek pietiekami paaugstināts, savstarpējā pievilkšanās kļūst pietiekami spēcīga, lai noturētu pat strauji izplūstošas molekulas, liekot vielai atgriezties šķidrumā. Bet vai spiediena pieaugums vienmēr pārvērš gāzi šķidrumā?
Uzreiz atbildēšu: nē. Spiediena palielināšanās samazina attālumu starp molekulām un pastiprina to savstarpējo pievilkšanos. Taču šai pievilkšanās spējai ir noteikts ierobežojums. Tas ir tāpēc, ka, tiklīdz molekulas ir saspiestas, līdz tās pieskaras viena otrai bez atstarpēm, tās vairs nevar tuvoties. Turpretī temperatūru var paaugstināt bezgalīgi, līdz rodas problēmas pašās molekulās vai tās sadalās. Tāpēc, tiklīdz tiek pārsniegta noteikta temperatūra, konkurence starp spiedienu un temperatūru beidzas. Neatkarīgi no tā, cik liels spiediens tiek palielināts, tas nevar radīt pietiekami spēcīgu molekulāro pievilkšanos, lai notvertu ātri kustīgās molekulas, tāpēc gāze nekļūst par šķidrumu. Šo galīgo līdzsvara punktu tieši pirms konkurences starp temperatūru un spiedienu pārtraukšanas sauc par kritisko punktu. To var uzskatīt arī par vielas singularitāti.
Tomēr tas, ka viela nevar kļūt par šķidrumu ārpus kritiskā punkta temperatūras un spiediena, nenozīmē, ka tā eksistē kā gāze ārpus šī punkta. Ārpus kritiskā punkta, lai gan tā nav pietiekami šķidra, lai veidotu šķidrumu, attālums starp molekulām kļūst ļoti mazs, kā rezultātā tās pievelk viena otru ar spēcīgiem spēkiem. Tāpēc, pat ja molekulas nav sagrupētas kopā kā šķidrumā, tās nevar pilnīgi brīvi pārvietoties kā gāzē. Vielu, kas ir šķērsojusi kritisko punktu un nav ne šķidrums, ne gāze, sauc par superkritisku šķidrumu.
Superkritiskajiem šķidrumiem piemīt īpašības, kas reti sastopamas parastos šķidrumos vai gāzēs, proti, ārkārtīgi zema viskozitāte un augsta šķīdība citām vielām. Zema viskozitāte nozīmē augstu iekļūšanas spēju. To var viegli saprast, atceroties, ka, ielejot ūdeni uz smiltīm, tas iesūcas katrā spraugā starp graudiem un izplūst zemāk, savukārt medus, kura viskozitāte ir augstāka nekā ūdenim, tik tikko plūst un tikai nedaudz iesūcas smiltīs.
Īsāk sakot, superkritiskā šķidruma izmantošana kā ekstrakcijas šķīdinātājs ļauj tam iekļūt visur, izšķīdinot vēlamo mērķa materiālu. Presējot sezama sēklas, lai iegūtu sezama eļļu, antioksidants, ko sauc par lignīnu, neizšķīst. Tomēr, izmantojot superkritisko šķidrumu ekstrakcijai, tā ražu var palielināt vairāk nekā 10 000 reižu. Šādi iegūta sezama eļļa faktiski tiek pārdota komerciāli. Turklāt superkritiskais šķidrums tiek izmantots kafijas kofeīna atdalīšanas procesā, lai selektīvi atdalītu tikai kofeīnu. Papildus tam daudzi farmācijas uzņēmumi pēta superkritisko šķidrumu izmantošanu, lai iegūtu aktīvās vielas no tādām vielām kā augi. Superkritiskie šķidrumi tiek aktīvi izmantoti arī kā vide nanodaļiņu ražošanai vai ļoti specializētu ķīmisku reakciju izraisīšanai. Tādējādi superkritiskie šķidrumi ir kļuvuši par galveno materiālu progresīvās tehnoloģijās, un to pielietojuma klāsts turpina paplašināties.
