ИИ помог раскрыть загадочное поведение молекул воды

Вода кажется самым обычным веществом на Земле, но ученые до сих пор находят в ней неожиданные свойства. В исследовании, опубликованном в Nature Physics, команда физхимиков показала: жидкая вода может быть устроена сложнее, чем кажется, и на молекулярном уровне напоминать смесь двух разных структур.

Увидеть это помог искусственный интеллект, пишет Live Science. Исследователи использовали глубокое обучение и большие молекулярные симуляции, чтобы проследить, как молекулы воды перестраиваются при разных условиях.

Вода может быть сложнее, чем кажется

Речь не о двух слоях или двух разных жидкостях, которые можно увидеть в стакане. Исследование показывает другое: сами молекулы воды могут по-разному выстраиваться рядом друг с другом и постоянно менять эту структуру.

По одной из научных гипотез, жидкая вода может состоять из двух локальных структур. В одной молекулы расположены плотнее, в другой структура получается менее плотной и более упорядоченной. Эти состояния не существуют отдельно друг от друга. Они постоянно меняются и переходят одно в другое.

Именно этим ученые пытаются объяснить часть необычных свойств воды. Например, большинство жидкостей при охлаждении становятся плотнее. Вода ведет себя иначе: она достигает максимальной плотности примерно при 4 градусах Цельсия, а затем начинает расширяться. Поэтому лед плавает на поверхности, а не уходит на дно.

Как ИИ помог разобраться в движении молекул

Авторы исследования работали не с водой в стакане, а с компьютерной моделью. Они запускали молекулярные симуляции и получали огромные массивы данных о том, как частицы движутся и взаимодействуют между собой.

Обычными методами такие данные трудно разобрать. Поэтому ученые применили алгоритм глубокого обучения. Он искал закономерности без заранее заданного ответа и помог выделить признаки двух локальных структур воды.

В результате исследователи получили более подробное описание того, как вода переходит из одного молекулярного состояния в другое. В некоторых условиях этот переход оказался сложнее, чем ожидалось.

Почему обычная вода так интересует науку

Вода участвует почти во всем: от климата и образования льда до работы клеток и химических реакций. Если ученые лучше поймут ее поведение на молекулярном уровне, это поможет точнее объяснять процессы в природе, биологии и материалах.

При этом исследование не дает готовой технологии и не меняет привычное представление о формуле H2O. Оно скорее показывает, что за простой формулой скрывается очень сложная физика.

Окончательный ответ еще впереди

Исследование дает новые аргументы в пользу двухструктурной модели воды, но точку в споре не ставит. Пока это результат компьютерного моделирования, который нужно проверить экспериментально.

Если выводы подтвердятся, ученым будет проще объяснить странные свойства воды: от расширения при замерзании до ее поведения при низких температурах и высоком давлении.