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
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.
В 5 раз тяжелее всех людей: исследована колоссальная живая подземная структура
Физики раскрыли новый механизм обледенения на микроуровне
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX