Вода здається однією з найпростіших речовин у природі, але на молекулярному рівні вона досі приховує багато загадок. Нове дослідження показує, що рідка вода може бути не повністю однорідною, а складатися з двох локальних структур, які постійно переходять одна в одну.
Йдеться не про те, що в склянці води існують дві окремі рідини, які можна побачити або розділити. Мова про поведінку молекул на дуже малому рівні. Частина з них утворює більш впорядковану структуру з нижчою густиною, а інша — щільнішу і менш впорядковану. Ці стани не є сталими: молекули постійно змінюють конфігурацію, утворюючи динамічну рівновагу.
Гіпотеза про таку «двостанну» природу води існує вже понад три десятиліття. Вона мала пояснити, чому вода поводиться не так, як більшість інших рідин. Наприклад, при охолодженні до певного моменту вода стає щільнішою, але нижче 4 градусів Цельсія її густина зменшується. Саме через це лід плаває на поверхні, а не тоне.
Штучний інтелект допоміг побачити приховані переходи
Автори нового дослідження використали масштабні комп’ютерні симуляції та методи штучного інтелекту, щоб простежити, як молекули води переходять між двома локальними структурами. Аналіз проводився на основі молекулярної динаміки — моделювання руху великої кількості молекул у різних умовах.
Завдання було непростим, адже ці переходи відбуваються надзвичайно швидко й на рівні, який складно безпосередньо зафіксувати експериментально. Саме тому дослідники застосували алгоритми машинного навчання, які допомогли знайти приховані закономірності у величезному масиві даних.
Вчені з’ясували, що за звичайних умов перехід між двома структурами відбувається відносно простим шляхом — через один енергетичний бар’єр. Але поблизу межі між станами з високою та низькою густиною шлях стає складнішим: молекулам доводиться проходити кілька проміжних етапів.
Це важливе спостереження, бо воно дає молекулярне пояснення тому, чому вода має стільки незвичних властивостей. Її поведінка залежить не лише від температури чи тиску, а й від того, які локальні структури переважають у конкретний момент.
Чому це відкриття важливе
Вода є основою життя, кліматичних процесів, хімічних реакцій і багатьох технологій. Тому краще розуміння її структури може мати значення не лише для фундаментальної науки.
Дві локальні структури води можуть допомогти пояснити її аномалії: високу теплоємність, незвичну зміну густини, особливості замерзання, поведінку переохолодженої води та взаємодію з біологічними молекулами. Усе це важливо для хімії, фізики, матеріалознавства, біології та кліматичних моделей.
Водночас дослідження не ставить остаточну крапку в дискусії. Йдеться передусім про результати комп’ютерного моделювання, хоча й дуже детального. Для повного підтвердження науковцям потрібні нові експериментальні методи, здатні безпосередньо простежити такі швидкі молекулярні переходи.
Попри це робота є важливим кроком у розумінні речовини, яка здається звичайною лише на перший погляд. Вода може бути значно складнішою, ніж виглядає у склянці: її молекули постійно перебудовуються, а саме ця прихована динаміка може пояснювати багато властивостей, без яких життя на Землі було б неможливим.
