На протяжении многих лет ученые предполагали, что вода способна существовать в виде двух разных жидкостей — более и менее плотной. Эти жидкости непрерывно переходят друг в друга на молекулярном уровне. Экспериментально подтвердить эту гипотезу долгое время не получалось, но исследователи из Городского университета Гонконга обнаружили доказательства такого поведения воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Команда ученых, изучающих свойства жидкости больше 20 лет, провела масштабные симуляции молекулярной динамики воды.
Большинство жидкостей при охлаждении становятся плотнее, но вода ведет себя иначе: она становится плотнее примерно до 4°C, а затем начинает расширяться, поэтому лед плавает на поверхности воды. Вода также лучше переносит перепады температур, чем другие жидкости, и ее вязкость снижается при определенном давлении. Ученые зафиксировали различные аномалии, связанные с водой, и предполагают, что они могут быть взаимосвязаны.
Ученые провели масштабное моделирование методом молекулярной динамики с использованием пакета моделирования GROMACS. Они отслеживали движение и взаимодействие сотен тысяч молекул воды и получили десятки миллионов точек данных. На обработку ушло примерно полтора года. Без использования нейросети аналогичный анализ занял бы около 10 лет.
ИИ выделил несколько ключевых переменных, которые точно описывают переход молекул воды между плотной и рыхлой структурами. Построив график в этих координатах, они выявили энергетические барьеры для такого перехода. Выяснилось, что маршрут преобразования зависит от условий: обычно это «полукольцевой» путь с одним барьером, но вблизи границы фаз (при 0°C) — «полный цикл» с тремя барьерами.
Ученые сравнили свое открытие с восхождением на гору, разрезанную пополам: с одной стороны у горы пологий склон, с другой — отвесный обрыв. Если идти по склону — это полупетля. Но там, где две половины горы сходятся, тропа как будто снова становится целой, и ее снова можно обойти целиком. Получается снова полная петля.
Сейчас команда разрабатывает более совершенную модель машинного обучения для подтверждения результата. Подтвердить наличие структуры в реальной воде будет непросто. Для экспериментального подтверждения потребуются новые высокочувствительные методы.
Понимание структуры воды важно для многих отраслей. Большинство биологических и фармацевтических процессов происходит в воде, более глубокое понимание ее молекулярной структуры может пролить свет на то, как взаимодействуют в растворе растворенные соли, белки и молекулы лекарств.
Ранее Наука Mail рассказала о том, как открытие формулы воды перевернуло мир химии.
