پیش از پرداختن به بحث سیال ابربحرانی super critical fluid، ابتدا باید درباره این که سیال چیست صحبت کنیم. سپس به سراغ ویژگی های سیال برویم و بعد بپرسیم که سیال ابربحرانی چیست؟ و می تواند چه کاربرد هایی داشته باشد.
سیال چیست؟ سیال چگونه است؟
در یک تعریف کلی و ساده و ابتدایی، سیال حالتی از ماده است که در حالت عادی فرم خاصی ندارد، اگر درون ظرفی ریخته شود، شکل آن را به خود می گیرد و همچنین اگر یک فرم خاص به خود گرفته باشد؛ می تواند تحت یک نیروی خارجی تغییر فرم داده و جریان پیدا کند (جاری شود). برای درک سیال، بهترین گزینه آب است.
آب در حالت عادی فرم خاصی ندارد (یعنی شکل مشخصی ندارد)، وقتی درون ظرفی ریخته می شود؛ فرم آن ظرف را به خود می گیرد. و البته تحت عمل یک نیروی خارجی، می تواند تغییر فرم داده و جاری شود. مثلا اگر آب را درون لیوانی بریزیم به شکل لیوان در می آید و حالا اگر لیوان را کج کنیم تا آب از آن بریزد، شکل لیوانی آن عوض شده و مانند یک شاره از لیوان پایین می ریزد.
البته ما سیال هایی با چگالی های کمتر از آب و یا خیلی بیشتر از آب نیز داریم که گرانروی (ویسکوزیته) خاصی داشته و سرعت تغییر شکل و یا جاری شدن شان نیز متفاوت از آب است. اما همه این ها جزو سیالات دسته بندی می شوند چون 3 ویژگی که در بالا ذکر شد را نشان می دهند.
سیال ابربحرانی (SFC) چیست؟
پیش از پرداختن به سیال ابربحرانی، ابتدا باید به خود کلمه ابربحرانی بپردازیم و بدانیم که منظور از آن چیست. همه ما می دانیم که اگر بخواهیم یک نمودار برای هر ماده ای رسم کنیم؛ به نحوی که روی یک محور آن فشار و روی محور دیگر آن دما باشد؛ در واقع یک نمودار فاز رسم کرده ایم.
این نمودار فاز، به ما نشان می دهد که در چه دما و فشار هایی، ماده می تواند چه حالت هایی داشته باشد. مثلا، آب در دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 1 اتمسفر، به حالت مایع وجود دارد؛ در همین دما اما فشار 0.01 اتمسفر به حالت بخار وجود دارد و… بر اساس نمودار فاز، برای هر ماده ای، ما می توانیم با اعمال فشار خیلی زیاد، گاز آن ماده را به مایع آن ماده تبدیل کنیم.
اما این میعان تحت فشار در همه دما ها ممکن نیست. ما در همه نمودار های فاز، همیشه دمایی به نام دمای بویل داریم. دمای بویل، دمایی است که در همه دما های بالاتر از آن، مایع کردن گاز با اعمال فشار غیر ممکن است. برای اینکه بتوانیم گاز را به مایع تبدیل کنیم؛ حتما باید اول دمای آن را به زیر دمای بویل برسانیم و سپس با اعمال فشار آن را مایع کنیم.
پس دمای بویل یک دمای بحرانی به حساب می آید. منظور از بحرانی، این است که شرایط ماده در قبل و بعد از این دما، خیلی فرق می کند. بخاطر همین، به این دما، دمای بحرانی گفته می شود؛ چون انگار که با گذر از این دما، یک بحران در سطح مولکولی رخ می دهد؛ به نحوی که شرایط ماده، دیگر مثل گذشته نیست.
در دما های بالاتر از دمای بویل چه اتفاقی رخ می دهد؟
در دمای پایین تر از دمای بویل (نه خیلی پایین تر؛ چون خیلی پایین تر ابتدا فاز مایع و سپس فاز جامد وجود دارد)، فاز گازی وجود دارد. اما بالاتر از دمای بویل، دیگر فاز گازی وجود ندارد. بلکه سیال ابربحرانی وجود دارد. البته توجه داشته باشید که متقارن با دمای بحرانی، یک فشار بحرانی نیز وجود دارد و طبیعتا، سیال ابربحرانی در همه فشار ها ایجاد نمی شود.
بنابراین در محدوده خاصی از دما و فشار ها، فاز گازی ناپدید شده و یک فاز بین گاز و مایع ایجاد می شود. منظور از فاز بین مایع و گاز این است که این فاز، نه مانند مایع چگالی دارد و نه همانند فاز گازی است که ذراتش در فواصل بسیار دور حرکت کنند.
بنابراین سیال ابربحرانی را می توان مرز بین مایع و گاز دانست. می توان چنان تصور کرد که سیال ابربحرانی همانند یک مه به شدت غلیظ است. خیلی خیلی غلیظ تر از گاز، اما رقیق تر از فاز مایع. آیا می توان گفت که سیال ابربحرانی مثل بخار است؟
نه قطعا نمی توان چنین چیزی گفت؛ سیال ابربحرانی غلیظ تر از بخار اما رقیق تر از مایع است. به نحوی که سیال ابربحرانی کشش سطحی ندارد. کشش سطحی یکی از ویژگی های مایعات است؛ اما در سیال ابربحرانی مشاهده نمی شود.
سیال ابربحرانی چه کاربردی دارد؟
از آنجایی که یک سیال ابربحرانی مرز بین فاز مایع و گاز می باشد. بنابراین می تواند همانند یک گاز در منافذ مختلف نفوذ کرده و از کوچکترین آن ها نیز عبور کند و به صورت یکنواخت، همه محیط را در بر بگیرد. اما از آنجایی که چگالی بسیار بالاتری از گاز ها دارد؛ همچنین می تواند مانند یک حلال، بسته به شرایط، برخی مواد را نیز در خود حل کرده و جا به جا کند.
بنابراین از سیال ابربحرانی می توان در استخراج برخی مواد از نانوذرات متخلخل، روند ساخت برخی نانوذرات مزوپور مثل MCM-41، برخی روند های آزمایشگاهی در دارورسانی و… استفاده کرد.
