Ta objava na blogu raziskuje, kako znanstvena načela singularnosti – ključne točke v tehnološkem napredku – in superkritičnih tekočin vplivajo na naše vsakdanje življenje in panoge.
»Singularnost prihaja!« Ta stavek je odmeval po internetu, potem ko so bili mnogi priča šokantni tekmi v igri Go med Googlovim AlphaGo in Leejem Sedolom, profesionalcem z 9. danom. Izraz je zaslovel kot naslov knjige Raya Kurzweila, Googlovega direktorja inženiringa, ki Singularnost opisuje kot točko, ko tehnologija, ki jo je ustvaril človek, preseže človeške zmožnosti. Z drugimi besedami, avtor trdi, da je singularnost točka, kjer se človeška tehnologija in človeške zmožnosti izenačijo, in da se bodo onkraj te singularnosti zgodili nepredvideni dogodki. Ti nepredvideni dogodki se nanašajo na prihodnost, v kateri umetna inteligenca presega človeška pričakovanja, se uči in razvija neodvisno, sposobna razmišljati in sprejemati odločitve kot ljudje.
Vendar pa je izraz singularnost sam po sebi širši koncept, ki se pogosto uporablja v matematiki in znanosti ter se nanaša na točko, v kateri konkurenčni elementi dosežejo ravnovesje, ki presega zgolj ravnovesje med tehnologijo in ljudmi. Na primer, v matematiki lahko značilnosti enačbe določimo z razmerjem dveh spremenljivk v njej. Ko velikosti teh dveh dejavnikov dosežejo izjemno občutljivo ravnovesje, nastane situacija, ko značilnosti enačbe postanejo nedoločljive. Ta točka se imenuje singularnost enačbe. Razumevanje izraza singularnost s te širše perspektive ravnotežne točke razkrije, da ima vsaka snov okoli nas svojo singularnost – točko, imenovano kritična točka, kjer so značilnosti tekočine in plina v ravnovesju. In ko je ta kritična točka presežena, kaže uporabne lastnosti, ki si jih nismo nikoli predstavljali.
Vsa snov lahko obstaja v treh agregatnih stanjih. Pomislite na vodo. Pri nizkih temperaturah obstaja kot led, trdno stanje. Ko se temperatura dvigne, se stopi v vodo, tekočino, in ko se temperatura dvigne, zavre in se spremeni v paro, plin. Tako se tri agregatna stanja snovi – trdno, tekoče in plinasto – spreminjajo glede na temperaturo. Poleg tega se agregatno stanje snovi ne spreminja le s temperaturo, temveč tudi s tlakom. Razpršilna pločevinka vsebuje tekočino pod zelo visokim tlakom, ko pa jo razpršimo, se ta sprosti v zrak kot neviden plin. Torej, ali snov obstaja kot trdno, tekoče ali plinasto stanje, določata tako temperatura kot tlak. Čeprav je to pogost pojav okoli nas, postane še bolj fascinanten, če ga preučimo znanstveno: vsako stanje se lahko ohrani le pri določenih temperaturah in tlakih. V vsakdanjem življenju zlahka opazujemo, kako se voda v trdnem stanju tali v tekočino in nato uparja v plin, vendar se za tem skriva kompleksna interakcija med molekulami.
Kako torej temperatura in tlak spremenita stanje? Najprej si poglejmo, kaj temperatura in tlak pomenita. Temperatura označuje, kako hitro se gibljejo molekule – drobni delci, ki sestavljajo snov. To pomeni, da se pri nizkih temperaturah molekule gibljejo počasi, pri visokih pa hitro. Nasprotno pa tlak označuje razdaljo med molekulami. Visok tlak pomeni, da je snov stisnjena, kar zmanjšuje razdaljo med molekulami, medtem ko nizek tlak poveča razdaljo med njimi. Vendar pa uravnavanje razdalje med molekulami s tlakom povzroči dodaten učinek. Molekule imajo inherentno težnjo, da se privlačijo, saj se moč te privlačne sile poveča, ko so molekule bližje skupaj. Tako višji tlak zbliža molekule, kar okrepi njihovo medsebojno privlačnost in težnjo po združevanju. Nasprotno pa nižji tlak oslabi silo, ki molekule vleče druga k drugi.
Zdaj pa se vrnimo k vodi. Pri nizkih temperaturah se molekule vode, ki jo sestavljajo, gibljejo počasi. Te počasi premikajoče se molekule ne morejo premagati medsebojne privlačnosti in pobegniti, zaradi česar se zlepijo. To povzroči trdno stanje, v katerem so popolnoma imobilizirane – led. Ko se temperatura ledu dvigne, kar molekulam omogoči hitrejše gibanje, ostanejo združene v velike skupine, vendar lahko delno premagajo medsebojno privlačnost, kar omogoči nekaj molekularnega gibanja. To je tekoče stanje vode. Če se temperatura še dvigne, se molekule gibljejo tako hitro, da jih privlačne sile ne morejo več držati skupaj. Postanejo proste in se lahko naključno gibljejo in tvorijo plinasto stanje: vodno paro. Če povzamemo, stanje snovi je določeno s tem, katera sila prevlada v tekmovanju med privlačno silo med molekulami in hitrostjo molekul. Privlačna sila se povečuje z višjim tlakom, hitrost molekul pa se povečuje z višjo temperaturo. Zato se stanje snovi spreminja glede na temperaturo in tlak.
Zdaj pa poskusimo vodno paro spremeniti nazaj v tekočino, ne da bi znižali temperaturo. Naraščajoči tlak zbliža molekule vode. S tem se poveča tudi sila privlačnosti med njimi. Če se tlak dovolj poveča, postane medsebojna privlačnost dovolj močna, da zadrži tudi hitro uhajajoče molekule, zaradi česar se snov vrne v tekočino. Toda ali naraščajoči tlak vedno spremeni plin v tekočino?
Da odgovorim takoj: ne. Naraščajoči tlak zmanjšuje razdaljo med molekulami in krepi njihovo medsebojno privlačnost. Vendar pa obstaja določena meja moči te privlačnosti. To je zato, ker ko so molekule stisnjene do te mere, da se dotaknejo druga druge brez vrzeli, se ne morejo več približati. Nasprotno pa se lahko temperatura zvišuje v nedogled, dokler se ne pojavijo težave znotraj samih molekul ali dokler se te ne razgradijo. Zato se, ko je presežena določena temperatura, tekmovanje med tlakom in temperaturo konča. Ne glede na to, koliko se tlak poveča, ne more ustvariti dovolj močne molekularne privlačnosti, da bi ujela hitro premikajoče se molekule, zato plin ne postane tekočina. Ta končna ravnotežna točka, tik preden se tekmovanje med temperaturo in tlakom prekine, se imenuje kritična točka. To lahko razumemo tudi kot singularnost snovi.
Vendar pa samo zato, ker snov ne more postati tekočina nad kritično točko, še ne pomeni, da obstaja kot plin nad to točko. Čeprav nad kritično točko ni dovolj tekoča, da bi tvorila tekočino, se razdalja med molekulami zelo zmanjša, zaradi česar se medsebojno privlačijo z močnimi silami. Zato se molekule, čeprav niso združene kot v tekočini, ne morejo popolnoma prosto gibati kot v plinu. Snov, ki je prestopila kritično točko in ni niti tekočina niti plin, imenujemo superkritična tekočina.
Superkritične tekočine kažejo lastnosti, ki jih redko vidimo pri navadnih tekočinah ali plinih, predvsem izjemno nizko viskoznost in visoko topnost za druge snovi. Nizka viskoznost pomeni visoko prodorno moč. To lahko zlahka razumemo, če se spomnimo, da ko vodo vlijemo na pesek, prežema vsak kotiček in špranjo med zrni in teče ven spodaj, medtem ko med, ki ima višjo viskoznost kot voda, komaj teče in se le rahlo vpije v pesek.
Skratka, uporaba superkritične tekočine kot ekstrakcijskega topila ji omogoča, da prodre povsod in raztopi želeni ciljni material. Pri stiskanju sezamovih semen za ekstrakcijo sezamovega olja se antioksidant, imenovan lignin, ne raztopi. Vendar pa lahko uporaba superkritične tekočine za ekstrakcijo poveča njen izkoristek za več kot 10,000-krat. Sezamovo olje, pridobljeno na ta način, se dejansko prodaja komercialno. Poleg tega se superkritična tekočina uporablja v procesu dekofeinizacije kave za selektivno odstranjevanje le kofeina. Poleg tega številna farmacevtska podjetja raziskujejo uporabo superkritičnih tekočin za ekstrakcijo aktivnih sestavin iz snovi, kot so zelišča. Superkritične tekočine se aktivno uporabljajo tudi kot medij za proizvodnjo nanodelcev ali sprožanje visoko specializiranih kemičnih reakcij. Tako so se superkritične tekočine uveljavile kot osrednji material v napredni tehnologiji, njihov obseg uporabe pa se še naprej širi.
