W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej, w jaki sposób zasady naukowe leżące u podstaw Osobliwości – kluczowego momentu w rozwoju technologicznym – i płynów nadkrytycznych wpływają na nasze codzienne życie i przemysł.
„Nadchodzi Osobliwość!” – to zdanie odbiło się echem w internecie po tym, jak wielu było świadkami szokującego meczu w go pomiędzy AlphaGo z Google a Lee Sedolem, profesjonalnym graczem o 9 dan. Termin ten zyskał rozgłos jako tytuł książki Raya Kurzweila, dyrektora ds. inżynierii w Google, który opisuje Osobliwość jako moment, w którym technologia stworzona przez człowieka przewyższa jego możliwości. Innymi słowy, autor argumentuje, że Osobliwość to moment, w którym ludzka technologia i ludzkie możliwości stają się równe, a po tym momencie nastąpią nieprzewidziane zdarzenia. Te nieprzewidziane zdarzenia odnoszą się do przyszłości, w której sztuczna inteligencja przewyższy ludzkie oczekiwania, ucząc się i rozwijając niezależnie, zdolna do myślenia i podejmowania decyzji jak człowiek.
Jednak samo pojęcie osobliwości jest szerszym pojęciem często używanym w matematyce i nauce, odnoszącym się do punktu, w którym konkurujące elementy osiągają równowagę, wykraczającą poza równowagę między technologią a ludźmi. Na przykład w matematyce charakterystyki równania można określić za pomocą stosunku dwóch zmiennych w nim zawartych. Kiedy wielkości tych dwóch czynników osiągają niezwykle delikatną równowagę, powstaje sytuacja, w której charakterystyki równania stają się niedefiniowalne. Ten punkt nazywa się osobliwością równania. Zrozumienie terminu osobliwości z tej szerszej perspektywy punktu równowagi ujawnia, że każda substancja wokół nas ma swoją osobliwość — punkt zwany punktem krytycznym, w którym właściwości cieczy i gazu znajdują się w równowadze. A gdy ten punkt krytyczny zostanie przekroczony, substancja wykazuje użyteczne właściwości, których nigdy sobie nie wyobrażaliśmy.
Cała materia może istnieć w trzech stanach skupienia. Rozważmy wodę. W niskich temperaturach występuje ona jako lód, czyli stan stały. Wraz ze wzrostem temperatury topi się, zamieniając się w wodę, ciecz, a następnie, jeszcze bardziej nagrzewając się, wrze i zamienia się w parę, czyli gaz. Zatem trzy stany skupienia materii – stały, ciekły i gazowy – zmieniają się w zależności od temperatury. Co więcej, stan skupienia materii zmienia się nie tylko wraz z temperaturą, ale również z ciśnieniem. Puszka z aerozolem zawiera ciecz pod bardzo wysokim ciśnieniem, ale po rozpyleniu jest ona uwalniana do powietrza jako niewidzialny gaz. Zatem to, czy substancja istnieje jako ciało stałe, ciecz czy gaz, zależy zarówno od temperatury, jak i ciśnienia. Chociaż jest to powszechne zjawisko wokół nas, staje się jeszcze bardziej fascynujące, gdy zostanie zbadane naukowo: każdy stan skupienia może być utrzymywany tylko w określonych temperaturach i ciśnieniach. W życiu codziennym z łatwością obserwujemy, jak woda w stanie stałym topi się w ciecz, a następnie odparowuje do postaci gazu, ale za tym kryje się złożona interakcja między cząsteczkami.
Jak więc temperatura i ciśnienie zmieniają stan skupienia? Najpierw zrozumiejmy, co oznaczają temperatura i ciśnienie. Temperatura wskazuje, jak szybko poruszają się cząsteczki – maleńkie cząsteczki tworzące materię. Oznacza to, że w niskich temperaturach cząsteczki poruszają się powoli, a w wysokich – szybko. Natomiast ciśnienie wskazuje odległość między cząsteczkami. Wysokie ciśnienie oznacza, że substancja jest sprężana, zmniejszając odległość między cząsteczkami, podczas gdy niskie ciśnienie zwiększa tę odległość. Jednak regulacja odległości między cząsteczkami za pomocą ciśnienia wywołuje dodatkowy efekt. Cząsteczki posiadają wrodzoną tendencję do przyciągania się, ponieważ siła tej siły przyciągania rośnie, gdy cząsteczki znajdują się bliżej siebie. Zatem wyższe ciśnienie zbliża cząsteczki, wzmacniając ich wzajemne przyciąganie i tendencję do skupiania się. Z kolei niższe ciśnienie osłabia siłę przyciągającą cząsteczki do siebie.
Wróćmy teraz do wody. W niskich temperaturach cząsteczki wody, z których się składa, poruszają się powoli. Te powolne cząsteczki nie mogą pokonać wzajemnego przyciągania i uciekają, powodując ich zlepianie się. W rezultacie powstaje stan stały, w którym są całkowicie unieruchomione – lód. Gdy temperatura lodu wzrasta, umożliwiając cząsteczkom szybszy ruch, pozostają one skupione w dużych grupach, ale mogą częściowo pokonać wzajemne przyciąganie, umożliwiając pewien ruch cząsteczek. To jest stan ciekły wody. Jeśli temperatura wzrasta dalej, cząsteczki poruszają się tak szybko, że siły przyciągania nie są już w stanie ich utrzymać razem. Stają się one swobodne i mogą poruszać się chaotycznie, tworząc stan gazowy: parę wodną. Podsumowując, stan substancji jest określany przez to, która siła przeważa w konkurencji między siłą przyciągania między cząsteczkami a prędkością cząsteczek. Siła przyciągania rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, a prędkość cząsteczek rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Zatem stan substancji zmienia się w zależności od temperatury i ciśnienia.
Teraz spróbujmy przekształcić parę wodną z powrotem w ciecz bez obniżania temperatury. Wzrost ciśnienia zbliża cząsteczki wody do siebie. To również zwiększa siłę przyciągania między nimi. Jeśli ciśnienie wzrośnie wystarczająco, wzajemne przyciąganie stanie się na tyle silne, że utrzyma nawet szybko uciekające cząsteczki, powodując powrót substancji do stanu ciekłego. Ale czy wzrost ciśnienia zawsze zamienia gaz w ciecz?
Odpowiadając z góry: nie. Rosnące ciśnienie zmniejsza odległość między cząsteczkami i wzmacnia ich wzajemne przyciąganie. Istnieje jednak wyraźna granica siły tego przyciągania. Dzieje się tak, ponieważ gdy cząsteczki zostaną ściśnięte do momentu, aż zetkną się ze sobą bez pozostawienia szczelin, nie mogą się już bardziej zbliżyć. Natomiast temperaturę można podnosić w nieskończoność, aż pojawią się problemy w samych cząsteczkach lub ulegną rozpadowi. Dlatego po przekroczeniu określonej temperatury rywalizacja między ciśnieniem a temperaturą kończy się. Niezależnie od tego, jak bardzo wzrośnie ciśnienie, nie może ono wytworzyć wystarczająco silnego przyciągania molekularnego, aby uchwycić szybko poruszające się cząsteczki, więc gaz nie staje się cieczą. Ten ostateczny punkt równowagi, tuż przed załamaniem się rywalizacji między temperaturą a ciśnieniem, nazywany jest punktem krytycznym. Można go również postrzegać jako osobliwość substancji.
Jednak to, że substancja nie może stać się cieczą powyżej temperatury i ciśnienia punktu krytycznego, nie oznacza, że istnieje ona jako gaz. Po przekroczeniu punktu krytycznego, choć nie jest wystarczająco ciekła, aby utworzyć ciecz, odległość między cząsteczkami staje się bardzo mała, co powoduje, że przyciągają się one ze sobą z dużą siłą. Dlatego, mimo że cząsteczki nie są skupione jak w cieczy, nie mogą się swobodnie poruszać jak w gazie. Substancja, która przekroczyła punkt krytyczny i nie jest ani cieczą, ani gazem, nazywana jest płynem nadkrytycznym.
Płyny nadkrytyczne wykazują właściwości rzadko spotykane w zwykłych cieczach lub gazach, zwłaszcza wyjątkowo niską lepkość i wysoką rozpuszczalność w innych substancjach. Niska lepkość oznacza wysoką zdolność penetracji. Łatwo to zrozumieć, przypominając sobie, że woda wylana na piasek przenika każdy zakamarek między ziarnami i wypływa na dno, podczas gdy miód, który ma wyższą lepkość niż woda, ledwo płynie i tylko nieznacznie wsiąka w piasek.
Krótko mówiąc, użycie płynu nadkrytycznego jako rozpuszczalnika ekstrakcyjnego pozwala mu przenikać wszędzie, rozpuszczając pożądany materiał docelowy. Podczas tłoczenia nasion sezamu w celu ekstrakcji oleju sezamowego, przeciwutleniacz zwany ligniną nie rozpuszcza się. Jednak użycie płynu nadkrytycznego do ekstrakcji może zwiększyć jej wydajność ponad 10 000-krotnie. Olej sezamowy ekstrahowany w ten sposób jest faktycznie sprzedawany komercyjnie. Ponadto, płyn nadkrytyczny jest wykorzystywany w procesie dekofeinizacji kawy, aby selektywnie usunąć tylko kofeinę. Ponadto, wiele firm farmaceutycznych bada zastosowanie płynów nadkrytycznych do ekstrakcji składników aktywnych z substancji takich jak zioła. Płyny nadkrytyczne są również aktywnie wykorzystywane jako medium do produkcji nanocząsteczek lub indukowania wysoce wyspecjalizowanych reakcji chemicznych. W ten sposób płyny nadkrytyczne stały się podstawowym materiałem w zaawansowanych technologiach, a zakres ich zastosowań stale się poszerza.
