Водата крие две лица: учени откриха следи от две различни структури в молекулите й

Алгоритъм анализира около 74 милиона молекулярни конфигурации и открива два ясно различими модела в течната вода

Ключови думи: вода, Nature Physics, две структури на водата, молекули, дълбоко самообучение, изкуствен интелект, свръхохладена вода, течна вода, плътност на водата, лед, научно откритие, физика

Водата изглежда като най-обикновената течност в природата, но ново изследване в Nature Physics показва, че на молекулярно ниво тя крие много по-сложна структура. Според учените течната вода не е напълно еднородна субстанция, а постоянно променяща се смес от две различни локални подредби на молекулите. Едната структура е по-плътна и по-хаотична, а другата е по-рядка и по-подредена.

Тази идея не е нова за науката. Физици и химици от десетилетия обсъждат т.нар. двусъстояен модел на водата. Той се опитва да обясни защо водата се държи различно от повечето течности. Тя се разширява, когато замръзва, достига най-голяма плътност при 4 градуса, а не при точката си на замръзване, и става по-лесна за свиване при охлаждане.

Учени установиха, че във въздуха вече има и лекарства

Точно тези странности правят водата толкова важна за живота. Ледът плава, защото има по-ниска плътност от течната вода. Езерата замръзват отгоре надолу, а не обратното, което запазва условия за живот под ледената покривка. Ако водата се държеше като повечето други течности, природата щеше да изглежда по съвсем различен начин.

Доказването на двете локални структури обаче е трудно. Те са микроскопични, появяват се и изчезват постоянно, а водните молекули сменят подредбата си изключително бързо. Затова учените не могат просто да ги видят и отделят като две видими фази в чаша вода.

Преподавател от Бургаския държавен университет направи откритие от световно значение

Екипът зад новото изследване използва мащабни молекулярни симулации и модел с дълбоко самообучение. Системата анализира около 74 милиона локални конфигурации на водни молекули. Целта е алгоритъмът сам да търси скрити закономерности, без учените предварително да му задават как точно трябва да изглеждат двете структури.

Когато моделът открива най-ясната проекция на данните, се появяват два различими клъстера. Според изследователите те отговарят на две локални структури в течната вода. По-плътната е по-разстроена, а по-рядката има по-ясна подредба. Това дава едни от най-силните досега молекулярни доказателства в подкрепа на двусъстояйния модел.

НАСА откри живот на Марс?

Проучването показва и нещо друго: двете структури не преминават една в друга по прост и еднакъв начин. Пътят на преобразуване зависи от температурата и налягането. Това личи най-силно при дълбоко преохладена вода, където учените от години търсят следи от разделяне между течност с висока плътност и течност с ниска плътност.

Тази зона остава трудна за лабораторно изследване, защото водата замръзва бързо. Затова компютърните симулации играят важна роля. Те не заменят експеримента, но дават насока къде да се търси реално потвърждение и какви молекулярни сигнали заслужават внимание.

Пробив: Учени откриха убиец на коронавируса

Откритието не означава, че водата в чашата се разделя на два видими слоя. Става дума за локални молекулярни състояния, които съществуват и се променят в рамките на течността. Точно това прави резултата важен: той показва, че една от най-познатите субстанции на Земята все още крие фундаментални въпроси.

Учените подчертават, че следващата стъпка е експериментално потвърждение. Ако то бъде постигнато, разбирането за водата ще стане по-точно не само във физиката, но и в биологията, геологията и химията. Засега изследването показва, че водата не е толкова проста, колкото изглежда, и че нейните най-странни свойства тръгват от начина, по който молекулите й се подреждат и пренареждат.