Вода — это не одна жидкость, а смесь двух постоянно меняющихся структур: ученые

Новое моделирование на молекулярном уровне, опубликованное в журнале Nature Physics, показало, что обычная жидкая вода — это не однородное вещество, а динамичная смесь двух разных микроскопических структур, которые постоянно переходят друг в друга. К такому выводу пришла международная команда под руководством профессора Сяо Чэн Цзэна из Городского университета Гонконга.

Старая гипотеза, которая наконец получила подтверждение

Идея о двух структурах воды существует уже несколько десятилетий. Ученые давно предполагают, что жидкая вода состоит из двух взаимопревращающихся локальных форм: одной более плотной и неупорядоченной, и другой — менее плотной и более упорядоченной. Эта так называемая двухсостоянияя модель хорошо объясняет многие странные свойства воды. Например, почему она становится легче сжимаемой при охлаждении и почему достигает максимальной плотности при +4 °C, а не при нуле.

Однако модель оставалась спорной, потому что прямых доказательств существования этих двух структур на уровне отдельных молекул долгое время не было.

Как искали доказательства

Область глубокого переохлаждения, где особенно ярко проявляется переход между двумя жидкими фазами (жидкость высокой плотности и жидкость низкой плотности), крайне сложно изучать экспериментально — вода быстро замерзает. Поэтому исследователи опирались на мощные компьютерные симуляции.

Раньше даже в симуляциях традиционные методы не позволяли четко разделить две структуры. Тогда команда применила современный подход — глубокое обучение без учителя. Они использовали автокодировщик, который самостоятельно находил скрытые закономерности в данных, без заранее заданных человеческих предположений.

Модель обучили на огромном массиве — около 74 миллионов локальных конфигураций молекул воды, полученных из симуляций с использованием точной модели TIP4P/Ice. Примерно 17 % данных приходились на область жидкостно-жидкостного фазового перехода.

Что удалось обнаружить

Когда модель нашла оптимальную конфигурацию, на графиках четко проявились два отдельных кластера. Это структура А (более плотная, неупорядоченная) и структура В (менее плотная, более упорядоченная). Эти структуры существуют в широком диапазоне температур и давлений, включая условия, близкие к комнатной температуре.

«Согласно двухсостоятельной гипотезе, жидкую воду можно рассматривать как смесь двух различных структур, А и В. Но никто никогда не видел настоящей «чистой А» или «чистой В» жидкой воды. Нам нужна помощь ИИ, чтобы изучить и выявить эти скрытые физические характеристики», — рассказал профессор Сяо Чэн Цзэн.

Как структуры превращаются друг в друга

Исследование показало не только наличие двух форм, но и то, как они переходят одна в другую. Путь превращения зависит от условий на фазовой диаграмме. В высокоплотной области это происходит через один путь («верхняя полупетля»), в низкоплотной — через другой («нижняя полупетля»). А на границе, где две фазы наиболее активно конкурируют, молекулы проходят сложный трехмерный «полный цикл» с тремя переходными состояниями.

«Преобразование между структурой А и структурой В — это не простой процесс «туда-обратно». Пути взаимопревращения двух структур различаются в зависимости от состояния воды. Этот микроскопический динамический процесс чрезвычайно трудно выявить с помощью традиционных теоретических методов», — подчеркнул Цзэн.

Теперь перед учеными стоит задача расшифровать физический смысл тех скрытых параметров, которые выделил искусственный интеллект, и попытаться подтвердить их в реальных экспериментах.

Результаты укрепляют модель двух состояний воды и могут иметь широкие последствия. Они помогут лучше понять поведение воды в биологических клетках и мембранах, геологические процессы в замкнутых средах и другие области, где вода играет ключевую роль.