Tento blogový príspevok skúma, ako vedecké princípy singularity – kľúčového bodu v technologickom pokroku – a superkritických kvapalín ovplyvňujú náš každodenný život a priemyselné odvetvia.
„Singularita sa blíži!“ Táto fráza sa rozšírila internetom po tom, čo mnohí boli svedkami šokujúceho zápasu v hre Go medzi hráčom AlphaGo z Googlu a Lee Sedolom, profesionálom s 9. danom. Termín sa preslávil vďaka názvu knihy Raya Kurzweila, riaditeľa inžinierstva spoločnosti Google, ktorý opisuje Singularitu ako bod, v ktorom technológia vytvorená človekom prevyšuje ľudské schopnosti. Inými slovami, autor tvrdí, že singularita je bod, v ktorom sa ľudská technológia a ľudské schopnosti vyrovnajú a že za touto singularitou sa stanú nepredvídané udalosti. Tieto nepredvídané udalosti odkazujú na budúcnosť, v ktorej umelá inteligencia prevyšuje ľudské očakávania, učí sa a vyvíja sa nezávisle, je schopná myslieť a robiť rozhodnutia ako ľudia.
Samotný termín singularita je však širší pojem, ktorý sa často používa v matematike a vede a odkazuje na bod, v ktorom súperiace prvky dosiahnu rovnováhu, a to nad rámec rovnováhy medzi technológiou a ľuďmi. Napríklad v matematike možno charakteristiky rovnice určiť pomerom dvoch premenných v nej. Keď veľkosti týchto dvoch faktorov dosiahnu extrémne krehkú rovnováhu, vzniká situácia, keď sa charakteristiky rovnice stanú nedefinovateľnými. Tento bod sa nazýva singularita rovnice. Pochopenie termínu singularita z tejto širšej perspektívy bodu rovnováhy odhaľuje, že každá látka okolo nás má svoju vlastnú singularitu – bod nazývaný kritický bod, kde sú charakteristiky kvapaliny a plynu v rovnováhe. A akonáhle sa tento kritický bod prekročí, prejavuje užitočné vlastnosti, ktoré sme si nikdy nepredstavovali.
Všetka hmota môže existovať v troch skupenstvách. Vezmime si vodu. Pri nízkych teplotách existuje ako ľad, teda v pevnom skupenstve. S rastúcou teplotou sa topí na vodu, teda v kvapaline, a keď sa ešte viac zahreje, vrie a mení sa na paru, teda na plyn. Tri skupenstva hmoty – pevné, kvapalné a plynné – sa teda menia v závislosti od teploty. Skupenstvo hmoty sa navyše nemení len s teplotou, ale aj s tlakom. Sprej obsahuje kvapalinu pod veľmi vysokým tlakom, ale pri nastriekaní sa uvoľňuje do vzduchu ako neviditeľný plyn. Či teda látka existuje ako pevná, kvapalná alebo plynná látka, je určené teplotou aj tlakom. Hoci je to bežný jav okolo nás, ešte fascinujúcejší je, keď sa skúma vedecky: každý skupenstvo sa dá udržať iba pri špecifických teplotách a tlakoch. V každodennom živote ľahko pozorujeme, ako sa voda v pevnom skupenstve topí na kvapalinu a potom sa vyparuje na plyn, no za tým sa skrýva zložitá interakcia medzi molekulami.
Ako teda teplota a tlak menia skupenstvo? Najprv si pochopme, čo teplota a tlak znamenajú. Teplota udáva, ako rýchlo sa molekuly – drobné častice tvoriace hmotu – pohybujú. To znamená, že pri nízkych teplotách sa molekuly pohybujú pomaly a pri vysokých teplotách sa pohybujú rýchlo. Naopak, tlak udáva vzdialenosť medzi molekulami. Vysoký tlak znamená, že látka je stlačená, čím sa zmenšuje vzdialenosť medzi molekulami, zatiaľ čo nízky tlak vzdialenosť medzi nimi zväčšuje. Regulácia vzdialenosti medzi molekulami tlakom však vytvára ďalší účinok. Molekuly majú inherentnú tendenciu sa navzájom priťahovať, pretože sila tejto príťažlivej sily sa zvyšuje, keď sú molekuly bližšie k sebe. Vyšší tlak teda molekuly približuje, čím sa zintenzívňuje ich vzájomná príťažlivosť a tendencia zhlukovať sa. Naopak, nižší tlak oslabuje silu, ktorá molekuly priťahuje k sebe.
Teraz sa vráťme k vode. Pri nízkych teplotách sa molekuly vody, ktoré ju tvoria, pohybujú pomaly. Tieto pomaly sa pohybujúce molekuly nedokážu prekonať vzájomnú príťažlivosť a uniknúť, čo spôsobuje ich zhlukovanie. Výsledkom je tuhý stav, v ktorom sú úplne znehybnené – ľad. Keď teplota ľadu stúpne, čo umožňuje molekulám pohybovať sa rýchlejšie, zostávajú zoskupené vo veľkých skupinách, ale dokážu čiastočne prekonať vzájomnú príťažlivosť, čo umožňuje určitý molekulárny pohyb. Toto je kvapalný stav vody. Ak teplota ďalej stúpne, molekuly sa pohybujú tak rýchlo, že ich príťažlivé sily už nedokážu držať pohromade. Začnú sa voľne pohybovať náhodne a vytvárajú plynný stav: vodnú paru. Stručne povedané, stav látky je určený tým, ktorá sila prevláda v súťaži medzi príťažlivou silou medzi molekulami a rýchlosťou molekúl. Príťažlivá sila sa zvyšuje s vyšším tlakom a rýchlosť molekúl sa zvyšuje s vyššou teplotou. Preto sa stav látky mení v závislosti od teploty a tlaku.
Teraz skúsme premeniť vodnú paru späť na kvapalinu bez zníženia teploty. Zvyšujúci sa tlak zbližuje molekuly vody. To tiež zvyšuje príťažlivú silu medzi nimi. Ak sa tlak dostatočne zvýši, vzájomná príťažlivosť sa stane dostatočne silnou na to, aby udržala aj rýchlo unikajúce molekuly, čo spôsobí, že sa látka vráti do kvapaliny. Ale vždy zmení zvyšujúci sa tlak plyn na kvapalinu?
Hneď na úvod: nie. Zvyšujúci sa tlak zmenšuje vzdialenosť medzi molekulami a posilňuje ich vzájomnú príťažlivosť. Existuje však určitý limit, aká silná môže byť táto príťažlivosť. Je to preto, že akonáhle sú molekuly stlačené, až kým sa navzájom nedotknú bez medzier, nemôžu sa k sebe priblížiť. Naopak, teplota sa môže zvyšovať donekonečna, kým sa v samotných molekulách neobjavia problémy alebo sa molekuly nerozpadnú. Preto po prekročení určitej teploty končí konkurencia medzi tlakom a teplotou. Bez ohľadu na to, o koľko sa tlak zvýši, nemôže vytvoriť molekulárnu príťažlivosť dostatočne silnú na zachytenie rýchlo sa pohybujúcich molekúl, takže plyn sa nestane kvapalinou. Tento konečný rovnovážny bod, tesne predtým, ako sa konkurencia medzi teplotou a tlakom preruší, sa nazýva kritický bod. Môže sa to tiež považovať za singularitu látky.
Avšak len preto, že látka sa nemôže zmeniť na kvapalinu pri teplote a tlaku nad kritickým bodom, neznamená to, že existuje ako plyn za týmto bodom. Za kritickým bodom, hoci nie je dostatočne kvapalná na to, aby vytvorila kvapalinu, vzdialenosť medzi molekulami sa veľmi zmenšuje, čo spôsobuje, že sa navzájom priťahujú silnými silami. Preto, aj keď molekuly nie sú zoskupené ako v kvapaline, nemôžu sa úplne voľne pohybovať ako v plyne. Látka, ktorá prekročila kritický bod a nie je ani kvapalina, ani plyn, sa nazýva superkritická tekutina.
Superkritické kvapaliny vykazujú vlastnosti, ktoré sa zriedka vyskytujú u bežných kvapalín alebo plynov, najmä extrémne nízku viskozitu a vysokú rozpustnosť iných látok. Nízka viskozita znamená vysokú penetračnú schopnosť. To sa dá ľahko pochopiť, ak si pripomenieme, že keď sa voda naleje na piesok, prenikne každým kútikom a štrbinou medzi zrnami a vytečie pod ňu, zatiaľ čo med, ktorý má vyššiu viskozitu ako voda, sotva tečie a len mierne vsakuje do piesku.
Stručne povedané, použitie superkritickej kvapaliny ako extrakčného rozpúšťadla jej umožňuje preniknúť všade a rozpustiť požadovaný cieľový materiál. Pri lisovaní sezamových semienok na extrakciu sezamového oleja sa antioxidant nazývaný lignín nerozpúšťa. Použitie superkritickej kvapaliny na extrakciu však môže zvýšiť jej výťažnosť viac ako 10 000-krát. Sezamový olej extrahovaný týmto spôsobom sa v skutočnosti komerčne predáva. Okrem toho sa superkritická kvapalina používa v procese dekofeinácie kávy na selektívne odstránenie iba kofeínu. Okrem toho mnohé farmaceutické spoločnosti skúmajú použitie superkritických kvapalín na extrakciu účinných látok z látok, ako sú bylinky. Superkritické kvapaliny sa tiež aktívne používajú ako médium na výrobu nanočastíc alebo na vyvolanie vysoko špecializovaných chemických reakcií. Superkritické kvapaliny sa preto etablovali ako základný materiál v pokročilých technológiách a ich rozsah použitia sa neustále rozširuje.
