Вода насправді може бути сумішшю 2 рідин: що виявити вчені

Протягом тривалого часу у науковій спільноті існувала гіпотеза, що на молекулярному рівні звичайна вода є динамічною сумішшю двох різних рідин – більш щільної та менш щільної, які безперервно змінюють свій стан. Досі зафіксувати реальні фізичні підтвердження цієї мікроскопічної трансформації було надзвичайно складно через надвисоку швидкість процесів.

Однак нещодавно, завдяки застосуванню передових технологій штучного інтелекту, команда дослідників заявила про виявлення довгоочікуваних молекулярних доказів. Масштабне дослідження, результати якого були опубліковані у журналі Nature Physics, може стати ключем до розгадки багатьох аномальних властивостей цієї речовини.

Як пише Live Science, це відкриття не лише підтверджує сміливу двокомпонентну теорію, але й відкриває абсолютно нові горизонти для хімії, біології та медицини.

Тридцятирічні пошуки та зміна наукового підходу

Ідея про подвійну природу води не є новою, проте тривалий час вона залишалася на рівні теоретичних припущень. Один зі співавторів дослідження, фізичний хімік Сяо Чен Цзен із Міського університету Гонконгу, присвятив вивченню властивостей води кілька десятиліть. Гіпотеза про двокомпонентний стан зацікавила його ще у середині 2000-х років, але тоді завдання здавалося занадто складним для прямого експериментального чи комп'ютерного аналізу.

Ситуація змінилася близько десяти років тому, коли з'явилися перші непрямі дані про те, що переохолоджена вода здатна розділятися на дві форми різної щільності. Справжній прорив відбувся близько двох з половиною років тому, коли дослідники вирішили відійти від традиційних методів аналізу, які роками не давали чіткого результату, та залучили до роботи алгоритми глибокого навчання.

Роль штучного інтелекту у молекулярному моделюванні

Для розв'язання цієї фундаментальної задачі вчені використали метод некерованого глибокого навчання (unsupervised deep learning). Особливість цього підходу полягає в тому, що нейромережу не навчали заздалегідь підготовленим шаблонам – вона мала самостійно шукати приховані закономірності у величезному масиві інформації.

Дослідники запустили надпотужні симуляції молекулярної динаміки за допомогою програмного комплексу GROMACS. Вони відстежували траєкторії руху та взаємодію сотень тисяч молекул води, що згенерувало десятки мільйонів окремих точок даних. За оцінками авторів проєкту, традиційний аналіз такого обсягу інформації силами аспірантів та студентів міг би тривати близько десятиліття. Штучний інтелект впорався із цим завданням всього за півтора року.

У результаті алгоритм виділив ключові змінні – так звані "координати реакції", які точно описують процес переходу локальних груп молекул з щільного стану в пухкий і навпаки. Це дозволило вченим детально розглянути енергетичні бар'єри, які доводиться долати молекулам під час цієї трансформації.

Два шляхи молекулярного перетворення

Аналіз показав, що механізм переходу між двома структурами безпосередньо залежить від зовнішніх умов. У більшості випадків зміна стану відбувається за відносно простим маршрутом, який автори назвали "напівпетлею" (semi-loop), де молекулам потрібно подолати лише один енергетичний бар'єр.

Проте за певних умов, а саме поблизу критичної межі співіснування високощільної та низькощільної форм (що нагадує температуру замерзання води при 0 градусах Цельсія), поведінка системи різко змінюється. Молекули починають рухатися складнішим круговим маршрутом – "повною петлею" (full-loop), яка містить уже три окремі енергетичні бар'єри.

Професор Цзен порівнює це з підйомом на гору, що розділена навпіл: з одного боку вона має плавний схил (напівпетля), а з іншого – стрімку скелю. Проте на межі розділу виникає можливість обійти всю вершину по колу (повна петля).

Це відкриття допомагає науково обґрунтувати численні дивацтва у поведінці води. На відміну від більшості рідин, які при охолодженні стають щільнішими, вода досягає максимальної щільності при температурі близько 4 градусів Цельсія, а потім починає розширюватися (саме тому лід не тоне). Вона також демонструє унікальну тепломісткість та нетипові зміни в'язкості під тиском. Тепер зрозуміло, що всі ці аномалії пов'язані між собою і зумовлені саме двоструктурною моделлю.

Наразі команда працює над створенням ще більш точної моделі машинного навчання, щоб остаточно пов'язати молекулярні переходи з макроскопічними властивостями води. Наступним кроком має стати пряме експериментальне підтвердження цих процесів у лабораторних умовах за допомогою надчутливих спектроскопічних методів.

OBOZ.UA писав про виявлення гігантської структури під льодовиковим щитом Антарктиди.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.