Godinama su naučnici sumnjali da je voda, na molekularnom nivou, zapravo sastavljena od dvije različite tečnosti – jedne gušće i jedne rjeđe – koje se neprestano smjenjuju. Međutim, bilo je izuzetno teško pronaći direktne molekularne dokaze za ovu mikroskopsku transformaciju. Sada istraživači tvrde da su, uz pomoć vještačke inteligencije, konačno uspjeli u tome.

Foto: Ilustracija/Pixabay.com 

„Teško je to zamisliti. Postoji samo jedna voda, zar ne?“, rekao je za Live Science Sjao Čeng Zeng, koautor nove studije, držeći flašu vode u ruci.

To pitanje ga je navelo da istraži naučnu literaturu, gdje je pronašao moguće objašnjenje – hipotezu o dva stanja vode.

„To mi je privuklo pažnju. Postoje brojni naučni radovi o tome, ali ne i direktni dokazi“, rekao je Zeng.

Rezultati istraživanja, objavljeni u časopisu Nature Physics, mogli bi ne samo da potvrde postojanje ove dugo tražene molekularne promjene, već i da objasne brojna neobična svojstva vode.

„Vještačka inteligencija bila je primorana da sama uči, stvara i istražuje“, objasnio je Zeng.

Tim je sproveo obimne simulacije molekularne dinamike, prateći kretanje i međusobnu interakciju stotina hiljada molekula vode. Pri tome su generisane desetine miliona podataka.

„Tradicionalno bi vam bio potreban veliki broj studenata da sve to analiziraju. Uz pomoć računara i vještačke inteligencije, Liju je za to bilo potrebno možda godinu i po“, rekao je Zeng. Prema njegovoj procjeni, bez vještačke inteligencije isti posao mogao bi da traje i čitavu deceniju.

Dva puta ka istom cilju

Vještačka inteligencija izdvojila je takozvane „reakcione koordinate“ – mali broj ključnih parametara koji opisuju kako se lokalna struktura molekula vode mijenja iz gušćeg u rjeđi oblik i obrnuto.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 temperaturi na kojoj led i tečna voda mogu istovremeno da postoje – molekuli mogu pratiti složeniju „punu kružnu“ putanju sa čak tri energetske barijere.

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 odolijeva promjenama temperature od sličnih tečnosti i pokazuje neobične promjene viskoznosti pod određenim pritiscima. Naučnici su dokumentovali brojne anomalije povezane s 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 vijeka, 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 previše složena za direktno istraživanje.

To se promijenilo oko 2016. godine, kada su istraživači počeli da objavljuju eksperimentalne dokaze da se superohlađena voda može razdvojiti na oblike visoke i niske gustine.

Prije oko dvije i po godine Zeng je ovaj problem povjerio postdoktorandu Livenu Liju. Umjesto da ponovi tradicionalne pristupe koji su druge istraživačke grupe već doveli u ćorsokak, Li je predložio primjenu „nenadgledanog dubokog učenja“ – oblika vještačke inteligencije koja sama prepoznaje obrasce u podacima bez prethodno definisanih uputstava.

Zeng to poredi sa usponom na planinu koja je prepolovljena – s jedne strane nalazi se blaga padina, a s druge strma litica. Većina planinara bira lakši put, što odgovara polukružnoj putanji. Ali blizu granice između dva stanja, kao da planina ponovo postaje cijela, omogućavajući obilazak čitavog vrha – što predstavlja punu kružnu putanju.

Zajedno sa kolegama razvija napredniji model mašinskog učenja kako bi dodatno potvrdili dobijene rezultate. Nadaju se da će kasnije uspjeti 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 osjetljive 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 pomoći će nam da bolje razumijemo kako voda reaguje u prirodi“, zaključio je Zeng.