Godinama su naučnici sumnjali da je voda, na molekularnom nivou, zapravo sastavljena od dve različite tečnosti, jedne gušće i jedne ređe, koje se neprestano smenjuju. Međutim, bilo je veoma teško pronaći direktne molekularne dokaze za ovu mikroskopsku transformaciju. Sada istraživači tvrde da su, uz pomoć veštačke inteligencije, konačno uspeli u tome.
„Teško je to zamisliti. Postoji samo jedna voda, zar ne?“, rekao je Sjao Čeng Zeng, koautor nove studije, držeći flašu vode u ruci. To pitanje ga je navelo da istraži naučnu literaturu, gde je pronašao moguće objašnjenje – hipotezu o dva stanja vode.
Prema njegovim rečima to mu je privuklo pažnju, jer postoje brojni naučni radovi o tome, ali ne i direktni dokazi.
Rezultati istraživanja mogli bi ne samo da potvrde postojanje ove dugo tražene molekularne promene, već i da objasne brojna neobična svojstva vode.
Većina tečnosti postaje gušća kako se hladi, ali voda se ponaša drugačije. Njena gustina raste do oko četiri stepena Celzijusa, nakon čega počinje da se širi, zbog čega led pluta na površini. Voda takođe bolje odoleva promenama temperature od sličnih tečnosti i pokazuje neobične promene viskoznosti pod određenim pritiscima. Naučnici su dokumentovali brojne anomalije povezane sa vodom i sumnjaju da su sve one međusobno povezane.
Model dva stanja predstavlja pokušaj da se pronađe jedinstveno objašnjenje za ova svojstva.
Tridesetogodišnja pretpostavka
Zeng proučava vodu još od kraja devedesetih godina prošlog veka, kada se kao postdoktorand bavio procesom zamrzavanja tečnosti. Sa hipotezom o dva stanja prvi put se ozbiljnije susreo oko 2006. godine na naučnim konferencijama. Ipak, godinama je tu ideju ostavljao po strani jer je smatrao da je suviše složena za direktno istraživanje.
To se promenilo oko 2016. godine, kada su istraživači počeli da objavljuju eksperimentalne dokaze da se superrashlađena voda može razdvojiti na oblike visoke i niske gustine.
Pre oko dve i po godine, Zeng je ovaj problem poverio postdoktorandu Livenu Liju. Umesto da ponovi tradicionalne pristupe koji su druge istraživačke grupe već doveli u ćorsokak, Li je predložio primenu „nenadgledanog dubokog učenja“ – oblika veštačke inteligencije koja sama prepoznaje obrasce u podacima bez prethodno definisanih uputstava.
„Tako je veštačka inteligencija bila primorana da sama uči, stvara i istražuje“, objasnio je Zeng.
Tim je sproveo obimne simulacije molekularne dinamike. Praćeno je kretanje i međusobna interakcija stotina hiljada molekula vode, pri čemu je generisano više desetina miliona podataka.
„Tradicionalno bi vam bio potreban veliki broj studenata da sve to analiziraju. Uz pomoć računara i veštačke inteligencije, Liju je za to bilo potrebno možda godinu i po dana“, rekao je Zeng. Prema njegovoj proceni, bez veštačke inteligencije isti posao mogao bi da potraje i čitavu deceniju.
Dva puta ka istom cilju
Veštačka inteligencija je izdvojila takozvane „reakcione koordinate“ – mali broj ključnih parametara koji opisuju kako se lokalna struktura molekula vode menja iz gušćeg u ređi oblik i obratno.
Istraživači su otkrili da način na koji jedna struktura prelazi u drugu zavisi od uslova u okruženju. U većini slučajeva prelaz se odvija takozvanom „polukružnom“ putanjom, uz savladavanje samo jedne energetske barijere.
Međutim, blizu granice između vode visoke i niske gustine, slično kao na temperaturi na kojoj led i tečna voda mogu istovremeno da postoje, molekuli mogu da prate složeniju „punu kružnu“ putanju sa čak tri energetske barijere.
Zeng to poredi sa usponom na planinu koja je prepolovljena – sa jedne strane nalazi se blaga padina, a sa druge strma litica. Većina planinara bira lakši put, što odgovara polukružnoj putanji. Ali blizu granice između dva stanja, kao da planina ponovo postaje cela, omogućavajući obilazak čitavog vrha – što predstavlja punu kružnu putanju.
Zajedno sa svojim kolegama razvija napredniji model mašinskog učenja kako bi dodatno potvrdili dobijene rezultate. Nadaju se da će kasnije uspeti da ih povežu sa svojstvima kao što su gustina, viskoznost i temperatura vode.
Ipak, potvrda ovih struktura u stvarnoj vodi neće biti jednostavna. Zeng smatra da će biti potrebne nove i izuzetno osetljive eksperimentalne metode, poput onih koje razvija „Pacific Northwest National Laboratory”, čiji su istraživači već ranije pronašli posredne spektroskopske dokaze o dvostrukoj prirodi vode.
„Kada ovo bude potvrđeno eksperimentima, ovaj model će nam pomoći da razumemo kako voda reaguje sa prirodom“, zaključio je Zeng, prenosi RTS.
BONUS VIDEO:
Komentari (0)