Dette blogginnlegget utforsker hvordan de vitenskapelige prinsippene bak singulariteten – et sentralt punkt i teknologisk fremgang – og superkritiske væsker påvirker hverdagen og industrien vår.
«Singulariteten kommer!» Denne frasen gjenlød over internett etter at mange var vitne til den sjokkerende Go-kampen mellom Googles AlphaGo og Lee Sedol, en 9-dan-proff. Begrepet ble berømt som tittelen på en bok av Ray Kurzweil, Googles ingeniørdirektør, som beskriver Singulariteten som punktet der menneskeskapt teknologi overgår menneskelige evner. Med andre ord argumenterer forfatteren for at singulariteten er punktet der menneskelig teknologi og menneskelige evner blir likeverdige, og at utover denne singulariteten vil uforutsette hendelser inntreffe. Disse uforutsette hendelsene refererer til en fremtid der kunstig intelligens overgår menneskelige forventninger, lærer og utvikler seg uavhengig, og er i stand til å tenke og ta beslutninger som mennesker.
Imidlertid er begrepet singularitet i seg selv et bredere konsept som ofte brukes i matematikk og vitenskap, og refererer til punktet der konkurrerende elementer oppnår likevekt, utover bare balansen mellom teknologi og mennesker. For eksempel, i matematikk, kan egenskapene til en ligning bestemmes av forholdet mellom to variabler i den. Når størrelsene på disse to faktorene oppnår en ekstremt delikat likevekt, oppstår en situasjon der egenskapene til ligningen blir udefinerbare. Dette punktet kalles ligningens singularitet. Å forstå begrepet singularitet fra dette bredere perspektivet av et balansepunkt avslører at ethvert stoff rundt oss har sin egen singularitet – et punkt kalt det kritiske punktet der egenskapene til væske og gass er i likevekt. Og når dette kritiske punktet krysses, viser det nyttige egenskaper vi aldri forestilte oss.
All materie kan eksistere i tre tilstander. Tenk på vann. Ved lave temperaturer eksisterer det som is, en fast tilstand. Når temperaturen stiger, smelter det til vann, en væske, og blir enda varmere, det koker og blir til damp, en gass. Dermed endres materiens tre tilstander – fast, flytende og gassformet – avhengig av temperaturen. Dessuten endres materiens tilstand ikke bare med temperaturen, men også med trykk. En sprayboks inneholder væske under svært høyt trykk, men når den sprayes, presses den ut i luften som en usynlig gass. Dermed bestemmes om et stoff eksisterer som et fast stoff, en væske eller en gassform av både temperatur og trykk. Selv om dette er et vanlig fenomen rundt oss, blir det enda mer fascinerende når det undersøkes vitenskapelig: hver tilstand kan bare opprettholdes ved spesifikke temperaturer og trykk. Vi observerer lett vann i sin faste tilstand som smelter til en væske og deretter fordamper til en gass i dagliglivet, men bak dette ligger det komplekse samspillet mellom molekyler.
Så hvordan endrer temperatur og trykk en tilstand? La oss først forstå hva temperatur og trykk betyr. Temperatur indikerer hvor raskt molekylene – de små partiklene som utgjør materie – beveger seg. Det vil si at ved lave temperaturer beveger molekylene seg sakte, og ved høye temperaturer beveger de seg raskt. Omvendt indikerer trykk avstanden mellom molekylene. Høyt trykk betyr at stoffet komprimeres, noe som reduserer avstanden mellom molekylene, mens lavt trykk øker avstanden mellom dem. Å regulere avstanden mellom molekylene gjennom trykk gir imidlertid en tilleggseffekt. Molekyler har en iboende tendens til å tiltrekke hverandre, ettersom styrken til denne tiltrekningskraften øker når molekylene er nærmere hverandre. Dermed bringer høyere trykk molekylene nærmere hverandre, noe som intensiverer deres gjensidige tiltrekning og tendens til å klynge seg sammen. Omvendt svekker lavere trykk kraften som trekker molekylene mot hverandre.
La oss nå gå tilbake til vann. Ved lave temperaturer beveger vannmolekylene som det består av seg sakte. Disse saktegående molekylene kan ikke overvinne den gjensidige tiltrekningen og slippe unna, noe som får dem til å klumpe seg sammen. Dette resulterer i en fast tilstand der de er fullstendig immobilisert – is. Når temperaturen på isen stiger, slik at molekylene kan bevege seg raskere, forblir de klynget sammen i store grupper, men kan delvis overvinne den gjensidige tiltrekningen, noe som muliggjør en viss molekylær bevegelse. Dette er vannets flytende tilstand. Hvis temperaturen stiger ytterligere, beveger molekylene seg så raskt at tiltrekningskreftene ikke lenger kan holde dem sammen. De blir frie til å bevege seg tilfeldig og danner gasstilstanden: vanndamp. For å oppsummere bestemmes et stoffs tilstand av hvilken kraft som råder i konkurransen mellom tiltrekningskraften mellom molekylene og molekylenes hastighet. Tiltrekningskraften øker med høyere trykk, og molekylenes hastighet øker med høyere temperatur. Derfor endres et stoffs tilstand avhengig av temperatur og trykk.
La oss nå prøve å gjøre vanndamp om til væske igjen uten å senke temperaturen. Økende trykk bringer vannmolekylene nærmere hverandre. Dette øker også tiltrekningskraften mellom dem. Hvis trykket økes tilstrekkelig, blir den gjensidige tiltrekningen sterk nok til å holde på selv molekyler som raskt slipper ut, noe som får stoffet til å gå tilbake til væske. Men gjør økende trykk alltid en gass om til væske?
For å svare på det på forhånd: nei. Økende trykk reduserer avstanden mellom molekylene og styrker deres gjensidige tiltrekning. Men det er en klar grense for hvor sterk denne tiltrekningen kan bli. Dette er fordi når molekylene er komprimert til de berører hverandre uten mellomrom, kan de ikke komme nærmere hverandre. Temperaturen kan derimot økes i det uendelige inntil det oppstår problemer i selve molekylene eller de brytes ned. Derfor, når en bestemt temperatur overskrides, slutter konkurransen mellom trykk og temperatur. Uansett hvor mye trykk økes, kan det ikke skape en molekylær tiltrekning som er sterk nok til å fange de raskt bevegelige molekylene, slik at gassen ikke blir en væske. Dette endelige likevektspunktet, rett før konkurransen mellom temperatur og trykk brytes ned, kalles det kritiske punktet. Dette kan også sees på som en singularitet av stoffet.
Men bare fordi et stoff ikke kan bli væske utover det kritiske punktets temperatur og trykk, betyr det ikke at det eksisterer som en gass utover det punktet. Utover det kritiske punktet, selv om det ikke er flytende nok til å danne en væske, blir avstanden mellom molekylene svært liten, noe som får dem til å tiltrekke hverandre med sterke krefter. Derfor, selv om molekylene ikke er gruppert sammen som i en væske, kan de ikke bevege seg helt fritt som i en gass. Et stoff som har krysset det kritiske punktet og verken er væske eller gassformig kalles en superkritisk væske.
Superkritiske væsker har egenskaper som sjelden sees i vanlige væsker eller gasser, særlig ekstremt lav viskositet og høy løselighet for andre stoffer. Lav viskositet betyr høy penetrasjonsevne. Dette kan lett forstås ved å huske at når vann helles på sand, trenger det inn i hver krik og kløft mellom kornene og renner ut under, mens honning, som har høyere viskositet enn vann, knapt renner og bare trekker litt inn i sanden.
Kort sagt, bruk av superkritisk væske som ekstraksjonsløsningsmiddel gjør at den kan trenge inn overalt og løse opp det ønskede målmaterialet. Når man presser sesamfrø for å ekstrahere sesamolje, løses ikke en antioksidant kalt lignin opp. Bruk av superkritisk væske til ekstraksjon kan imidlertid øke utbyttet med over 10 000 ganger. Sesamolje ekstrahert på denne måten selges faktisk kommersielt. Videre brukes superkritisk væske i koffeinfjerningsprosessen for kaffe for selektivt å fjerne bare koffeinet. Utover dette forsker en rekke farmasøytiske selskaper på bruken av superkritiske væsker for å ekstrahere aktive ingredienser fra stoffer som urter. Superkritiske væsker brukes også aktivt som et medium for å produsere nanopartikler eller indusere høyspesialiserte kjemiske reaksjoner. Dermed har superkritiske væsker etablert seg som et kjernemateriale innen avansert teknologi, og bruksområdet deres fortsetter å utvides.
