Вода је можда мешавина две течности, кажу научници

„Тешко је то замислити. Постоји само једна вода, зар не?“, рекао је за Лајв сајенс Сјао Ченг Зенг, коаутор нове студије, држећи флашу воде у руци. То питање га је навело да истражи научну литературу, где је пронашао могуће објашњење – хипотезу о два стања воде.

„То ми је привукло пажњу. Постоје бројни научни радови о томе, али не и директни докази“, рекао је Зенг.

Резултати истраживања, објављени у часопису Nature Physics, могли би не само да потврде постојање ове дуго тражене молекуларне промене, већ и да објасне бројна необична својства воде.

Већина течности постаје гушћа како се хлади, али вода се понаша другачије. Њена густина расте до око четири степена Целзијуса, након чега почиње да се шири, због чега лед плута на површини. Вода такође боље одолева променама температуре од сличних течности и показује необичне промене вискозности под одређеним притисцима. Научници су документовали бројне аномалије повезане са водом и сумњају да су све оне међусобно повезане.

Модел два стања представља покушај да се пронађе јединствено објашњење за ова својства.

Тридесетогодишња претпоставка

Зенг проучава воду још од краја деведесетих година прошлог века, када се као постдокторанд бавио процесом замрзавања течности. Са хипотезом о два стања први пут се озбиљније сусрео око 2006. године на научним конференцијама. Ипак, годинама је ту идеју остављао по страни јер је сматрао да је сувише сложена за директно истраживање.

То се променило око 2016. године, када су истраживачи почели да објављују експерименталне доказе да се суперрасхлађена вода може раздвојити на облике високе и ниске густине.

Пре око две и по године, Зенг је овај проблем поверио постдокторанду Ливену Лију. Уместо да понови традиционалне приступе који су друге истраживачке групе већ довели у ћорсокак, Ли је предложио примену „ненадгледаног дубоког учења“ – облика вештачке интелигенције која сама препознаје обрасце у подацима без претходно дефинисаних упутстава.

„Тако је вештачка интелигенција била приморана да сама учи, ствара и истражује“, објаснио је Зенг.

Тим је спровео обимне симулације молекуларне динамике. Праћено је кретање и међусобна интеракција стотина хиљада молекула воде, при чему је генерисано више десетина милиона података.

„Традиционално би вам био потребан велики број студената да све то анализирају. Уз помоћ рачунара и вештачке интелигенције, Лију је за то било потребно можда годину и по дана“, рекао је Зенг. Према његовој процени, без вештачке интелигенције исти посао могао би да потраје и читаву деценију.

Два пута ка истом циљу

Вештачка интелигенција је издвојила такозване „реакционе координате“ – мали број кључних параметара који описују како се локална структура молекула воде мења из гушћег у ређи облик и обратно.

Истраживачи су открили да начин на који једна структура прелази у другу зависи од услова у окружењу. У већини случајева прелаз се одвија такозваном „полукружном“ путањом, уз савладавање само једне енергетске баријере.

Међутим, близу границе између воде високе и ниске густине, слично као на температури на којој лед и течна вода могу истовремено да постоје, молекули могу да прате сложенију „пуну кружну“ путању са чак три енергетске баријере.

Зенг то пореди са успоном на планину која је преполовљена – са једне стране налази се блага падина, а са друге стрма литица. Већина планинара бира лакши пут, што одговара полукружној путањи. Али близу границе између два стања, као да планина поново постаје цела, омогућавајући обилазак читавог врха – што представља пуну кружну путању.

Заједно са својим колегама развија напреднији модел машинског учења како би додатно потврдили добијене резултате. Надају се да ће касније успети да их повежу са својствима као што су густина, вискозност и температура воде.

Ипак, потврда ових структура у стварној води неће бити једноставна. Зенг сматра да ће бити потребне нове и изузетно осетљиве експерименталне методе, попут оних које развија “Pacific Northwest National Laboratory”, чији су истраживачи већ раније пронашли посредне спектроскопске доказе о двострукој природи воде.

„Када ово буде потврђено експериментима, овај модел ће нам помоћи да разумемо како вода реагује са природом“, закључио је Зенг.