In deze blogpost onderzoeken we hoe de wetenschappelijke principes achter de Singulariteit – een cruciaal punt in technologische vooruitgang – en superkritische vloeistoffen van invloed zijn op ons dagelijks leven en de industrie.
"De Singulariteit komt eraan!" Deze zin galmde over het internet nadat velen getuige waren geweest van de schokkende Go-wedstrijd tussen Google's AlphaGo en Lee Sedol, een 9-dan-professional. De term werd beroemd als de titel van een boek van Ray Kurzweil, technisch directeur van Google, die de Singulariteit beschrijft als het punt waarop door mensen gemaakte technologie de menselijke mogelijkheden overtreft. Met andere woorden, de auteur stelt dat de singulariteit het punt is waarop menselijke technologie en menselijke mogelijkheden gelijkwaardig worden, en dat er na deze singulariteit onvoorziene gebeurtenissen zullen plaatsvinden. Deze onvoorziene gebeurtenissen verwijzen naar een toekomst waarin kunstmatige intelligentie de menselijke verwachtingen overtreft, zelfstandig leert en evolueert en in staat is om te denken en beslissingen te nemen zoals mensen.
De term singulariteit zelf is echter een breder concept dat vaak wordt gebruikt in wiskunde en wetenschap. Het verwijst naar het punt waarop concurrerende elementen een evenwicht bereiken, en gaat verder dan alleen de balans tussen technologie en mensen. In de wiskunde kunnen de kenmerken van een vergelijking bijvoorbeeld worden bepaald door de verhouding van twee variabelen daarbinnen. Wanneer de grootte van deze twee factoren een uiterst delicaat evenwicht bereikt, ontstaat er een situatie waarin de kenmerken van de vergelijking ondefinieerbaar worden. Dit punt wordt de singulariteit van de vergelijking genoemd. Door de term singulariteit te begrijpen vanuit dit bredere perspectief van een evenwichtspunt, wordt onthuld dat elke substantie om ons heen zijn eigen singulariteit heeft – een punt dat het kritische punt wordt genoemd, waar de eigenschappen van vloeistof en gas in evenwicht zijn. En zodra dit kritische punt is overschreden, vertoont het nuttige eigenschappen die we ons nooit hadden kunnen voorstellen.
Alle materie kan in drie toestanden bestaan. Denk aan water. Bij lage temperaturen bestaat het als ijs, een vaste toestand. Naarmate de temperatuur stijgt, smelt het tot water, een vloeistof, en wordt het nog heter, het kookt en verandert in stoom, een gas. De drie toestanden van materie – vast, vloeibaar en gasvormig – veranderen dus afhankelijk van de temperatuur. Bovendien verandert de toestand van materie niet alleen met de temperatuur, maar ook met de druk. Een spuitbus bevat vloeistof onder zeer hoge druk, maar wanneer deze wordt gespoten, wordt deze als een onzichtbaar gas de lucht in geblazen. Of een stof vast, vloeibaar of gasvormig is, wordt dus bepaald door zowel temperatuur als druk. Hoewel dit een veelvoorkomend fenomeen is, wordt het nog fascinerender wanneer het wetenschappelijk wordt onderzocht: elke toestand kan alleen bij specifieke temperaturen en drukken worden gehandhaafd. We zien in het dagelijks leven gemakkelijk water in vaste toestand smelten tot een vloeistof en vervolgens verdampen tot een gas, maar hierachter schuilt de complexe wisselwerking tussen moleculen.
Dus hoe veranderen temperatuur en druk een toestand? Laten we eerst eens begrijpen wat temperatuur en druk betekenen. Temperatuur geeft aan hoe snel de moleculen – de kleine deeltjes waaruit materie bestaat – bewegen. Dat wil zeggen, bij lage temperaturen bewegen moleculen langzaam en bij hoge temperaturen snel. Omgekeerd geeft druk de afstand tussen moleculen aan. Hoge druk betekent dat de stof wordt samengedrukt, waardoor de afstand tussen moleculen kleiner wordt, terwijl lage druk de afstand tussen de moleculen vergroot. Het reguleren van de afstand tussen moleculen door middel van druk heeft echter een bijkomend effect. Moleculen hebben een inherente neiging om elkaar aan te trekken, omdat de sterkte van deze aantrekkingskracht toeneemt naarmate moleculen dichter bij elkaar zijn. Hogere druk brengt moleculen dus dichter bij elkaar, waardoor hun wederzijdse aantrekkingskracht en de neiging om samen te klonteren toenemen. Omgekeerd verzwakt lagere druk de kracht die moleculen naar elkaar toe trekt.
Laten we nu terugkeren naar water. Bij lage temperaturen bewegen de watermoleculen waaruit het bestaat traag. Deze langzaam bewegende moleculen kunnen de wederzijdse aantrekkingskracht niet overwinnen en ontsnappen, waardoor ze samenklonteren. Dit resulteert in een vaste toestand waarin ze volledig geïmmobiliseerd zijn: ijs. Wanneer de temperatuur van ijs stijgt, waardoor de moleculen sneller kunnen bewegen, blijven ze geclusterd in grote groepen, maar kunnen ze de wederzijdse aantrekkingskracht gedeeltelijk overwinnen, waardoor er enige moleculaire beweging mogelijk is. Dit is de vloeibare toestand van water. Als de temperatuur verder stijgt, bewegen de moleculen zo snel dat de aantrekkingskrachten ze niet langer bij elkaar kunnen houden. Ze kunnen zich dan vrijelijk bewegen en vormen de gasvormige toestand: waterdamp. Samenvattend: de toestand van een stof wordt bepaald door welke kracht prevaleert in de concurrentie tussen de aantrekkingskracht tussen moleculen en de snelheid van de moleculen. De aantrekkingskracht neemt toe bij hogere druk, en de snelheid van de moleculen neemt toe bij hogere temperatuur. Daarom verandert de toestand van een stof afhankelijk van temperatuur en druk.
Laten we nu eens proberen waterdamp weer vloeibaar te maken zonder de temperatuur te verlagen. Toenemende druk brengt watermoleculen dichter bij elkaar. Dit vergroot ook de aantrekkingskracht tussen hen. Als de druk voldoende wordt verhoogd, wordt de wederzijdse aantrekkingskracht sterk genoeg om zelfs snel ontsnappende moleculen vast te houden, waardoor de stof weer vloeibaar wordt. Maar verandert een toenemende druk een gas altijd in een vloeistof?
Om meteen te antwoorden: nee. Toenemende druk verkleint de afstand tussen moleculen en versterkt hun wederzijdse aantrekkingskracht. Maar er is een duidelijke grens aan hoe sterk deze aantrekkingskracht kan worden. Dit komt doordat moleculen, zodra ze zo ver zijn samengedrukt dat ze elkaar raken en er geen ruimte meer overblijft, niet dichterbij kunnen komen. De temperatuur daarentegen kan oneindig worden verhoogd totdat er problemen ontstaan in de moleculen zelf of totdat ze kapotgaan. Zodra een bepaalde temperatuur wordt overschreden, eindigt de competitie tussen druk en temperatuur. Hoe sterk de druk ook wordt verhoogd, er kan geen moleculaire aantrekkingskracht ontstaan die sterk genoeg is om de snel bewegende moleculen te vangen, waardoor het gas niet vloeibaar wordt. Dit uiteindelijke evenwichtspunt, net voordat de competitie tussen temperatuur en druk verdwijnt, wordt het kritische punt genoemd. Dit kan ook worden gezien als een singulariteit van de stof.
Het feit dat een stof niet vloeibaar kan worden boven de temperatuur en druk van het kritische punt, betekent echter niet dat de stof na dat punt als gas bestaat. Voorbij het kritische punt is de stof weliswaar niet vloeibaar genoeg om een vloeistof te vormen, maar de afstand tussen moleculen wordt wel erg klein, waardoor ze elkaar met sterke krachten aantrekken. Hoewel de moleculen dus niet samenklonteren zoals in een vloeistof, kunnen ze zich niet volledig vrij bewegen zoals in een gas. Een stof die het kritische punt heeft overschreden en noch vloeibaar noch gasvormig is, wordt een superkritische vloeistof genoemd.
Superkritische vloeistoffen vertonen eigenschappen die zelden voorkomen in gewone vloeistoffen of gassen, met name een extreem lage viscositeit en een hoge oplosbaarheid voor andere stoffen. Lage viscositeit betekent een hoog penetrerend vermogen. Dit is gemakkelijk te begrijpen door te bedenken dat wanneer water op zand wordt gegoten, het alle hoeken en gaten tussen de korrels doordringt en eronderuit stroomt, terwijl honing, dat een hogere viscositeit heeft dan water, nauwelijks stroomt en slechts in geringe mate in het zand trekt.
Kortom, het gebruik van superkritische vloeistof als extractiemiddel zorgt ervoor dat het overal kan doordringen en het gewenste doelmateriaal kan oplossen. Bij het persen van sesamzaad om sesamolie te extraheren, lost een antioxidant genaamd lignine niet op. Het gebruik van superkritische vloeistof voor extractie kan de opbrengst echter met meer dan 10,000 keer verhogen. Sesamolie die op deze manier wordt geëxtraheerd, wordt daadwerkelijk commercieel verkocht. Bovendien wordt superkritische vloeistof gebruikt in het cafeïnevrij maken van koffie om selectief alleen de cafeïne te verwijderen. Daarnaast onderzoeken talloze farmaceutische bedrijven het gebruik van superkritische vloeistoffen om actieve ingrediënten uit stoffen zoals kruiden te extraheren. Superkritische vloeistoffen worden ook actief gebruikt als medium voor de productie van nanodeeltjes of het induceren van zeer gespecialiseerde chemische reacties. Zo hebben superkritische vloeistoffen zich gevestigd als een kernmateriaal in geavanceerde technologie en hun toepassingsmogelijkheden blijven zich uitbreiden.
