Apa, cel mai banal element al omenirii, are un ultim mister. ”E greu de imaginat, e doar o apă, nu?”. Ei bine, nu e
Oamenii de știință bănuiau deja de mult timp că banala noastră apă este formată din două lichide complet diferite, unul mai dens, altul mai puțin dens – care își schimbă constant locurile. Acum, au găsit și dovezile științifice.
Ani de zile, oamenii de știință au bănuit că, la nivel molecular, apa este formată din două lichide diferite - unul mai dens și unul mai puțin dens - care își schimbă constant locurile. A fost dificil să găsești dovezi moleculare reale ale acestei transformări microscopice. Dar acum, cu ajutorul inteligenței artificiale, cercetătorii spun că au găsit-o în sfârșit, scrie Live Science.
„E greu de imaginat - e doar o singură apă, nu-i așa?”, a declarat Xiao Cheng Zeng, chimist fizician la Universitatea din Hong Kong și coautor al noului studiu, pentru Live Science, ținând o sticlă de apă în aer. Această enigmă l-a făcut să caute prin literatura științifică, unde a găsit posibila explicație: ipoteza celor două stări. „Asta mi-a atras atenția. Avem literatură despre asta, dar nu și dovezi”.
Descoperirile, publicate pe 4 iunie în revista Nature Physics, nu numai că au putut dovedi că această schimbare moleculară căutată de mult timp este reală, dar au putut ajuta și la explicarea a zeci de comportamente ciudate ale apei.
Majoritatea lichidelor devin mai dense pe măsură ce se răcesc, dar apa se comportă diferit; devine mai densă până la aproximativ 4 grade Celsius, apoi începe să se extindă, motiv pentru care gheața plutește. De asemenea, apa rezistă mai bine schimbărilor de temperatură decât lichide similare și are o vâscozitate care scade sub anumite presiuni. Oamenii de știință au documentat diverse anomalii legate de apă și suspectează că acestea ar putea fi interconectate. Modelul cu două stări este o încercare de a fi acea explicație unificatoare.
O presimțire de 30 de ani
Zeng studiază apa încă din perioada postdoctorală de la sfârșitul anilor 1990, când lucra la congelarea lichidelor. Ipoteza celor două stări a apărut în atenția sa mai târziu - în 2006, când a întâlnit-o pentru prima dată la conferințe științifice. Dar, ani de zile, a lăsat-o deoparte ca fiind prea dificilă pentru a fi abordată direct. Acest lucru s-a schimbat în 2016, când cercetătorii au început să raporteze dovezi experimentale conform cărora apa suprarăcită se poate descompune în forme distincte de densitate mare și densitate mică.
Acum doi ani și jumătate, Zeng i-a înmânat problema lui Liwen Li, un cercetător postdoctoral în laboratorul său. În loc să repete abordările convenționale cu care alte grupuri se luptau deja, Li a sugerat utilizarea „învățării profunde nesupravegheate” - inteligență artificială antrenată să identifice tipare în date fără a i se spune ce să caute.
„Așadar, IA este forțată să învețe — să își folosească cunoștințele pentru a crea, a explora”, a declarat Zeng pentru Live Science.
Echipa a efectuat simulări masive de dinamică moleculară, folosind pachetul de simulare GROMACS. Au urmărit modul în care sute de mii de molecule de apă s-au mișcat și au interacționat și au generat zeci de milioane de puncte de date.
„În mod tradițional, este posibil să ai nevoie de mulți studenți pentru a-ți da seama de asta... Cu computerele și IA, lui Li i-a luat poate un an și jumătate”, a spus Zeng. Fără IA, a estimat el, aceeași analiză ar fi putut dura aproape un deceniu.
Inteligența artificială a identificat „coordonate de reacție” – un număr restrâns de variabile, extrase din ansamblul mișcărilor moleculare, care descriu cu exactitate modul în care configurația locală a unei molecule de apă trece de la structura mai densă la cea mai puțin densă și invers. Cercetătorii au reprezentat grafic comportamentul sistemului în funcție de aceste coordonate pentru a vizualiza forma procesului de transformare. Această analiză a inclus identificarea numărului și a poziției barierelor energetice (sau punctelor „șa”) pe care moleculele trebuie să le depășească pentru a realiza tranziția.
Două trasee pe munte
Echipa a descoperit că traseul urmat de cele două structuri în procesul de transformare reciprocă variază în funcție de anumite condiții. De cele mai multe ori, tranziția are loc de-a lungul unei traiectorii de tip „semi-buclă”, implicând depășirea unei singure bariere energetice.
Totuși, în apropierea zonei de demarcație dintre apa cu densitate ridicată și cea cu densitate scăzută – similară pragului la care gheața și apa lichidă coexistă la 32 de grade Fahrenheit (zero grade Celsius) – moleculele pot urma un traseu mai ocolit, de tip „buclă completă”, care presupune traversarea a trei bariere distincte în loc de una singură.
Zeng a comparat acest fenomen cu escaladarea unui munte secționat în două: o parte prezintă o pantă lină, iar cealaltă o prăpastie abruptă. Majoritatea drumeților aleg panta lină; aceasta corespunde „semi-buclei”. Însă, în apropierea zonei de joncțiune a celor două jumătăți, situația devine similară cu cea a unui munte întreg, permițând drumeților să ocolească vârful în totalitate. Aceasta este „bucla completă”.
În prezent, Zeng și echipa sa dezvoltă un model de învățare automată mai riguros pentru a confirma aceste rezultate. Ei speră ca, în cele din urmă, să poată corela aceste descoperiri cu proprietăți precum densitatea, vâscozitatea și temperatura.
Confirmarea structurii în apă reală nu va fi simplă. Zeng a spus că va necesita probabil tehnici experimentale noi și sensibile - de tipul celor dezvoltate de laboratoare precum Laboratorul Național Pacific Northwest, care anterior au găsit dovezi spectroscopice indirecte pentru comportamentul în două stări al apei.
„Odată ce vom avea acest lucru confirmat prin experiment”, a spus el, „acest model poate fi folosit pentru a înțelege cum interacționează apa cu natura”.
Deoarece majoritatea proceselor biologice și farmaceutice au loc în apă, o mai bună înțelegere a structurii moleculare a apei ar putea clarifica modul în care sărurile dizolvate, proteinele și moleculele de medicamente interacționează în soluție. „Aceste interacțiuni sunt vitale pentru medicamentele injectabile și funcția celulară”, a remarcat el, dar aplicarea acestor cunoștințe în utilizări practice este încă departe de a fi realizată.
stirileprotv.ro
