Godinama su naučnici sumnjali da voda na molekularnom nivou možda nije samo jedna tečnost, već mješavina dva različita oblika, jednog gušćeg i jednog rjeđeg, koji se neprestano mijenjaju. Ipak, bilo je izuzetno teško pronaći direktne dokaze za ovu mikroskopsku transformaciju. Sada istraživači tvrde da su, uz pomoć umjetne inteligencije, napravili veliki korak ka rješenju ove misterije.
“Teško je to zamisliti. Postoji samo jedna voda, zar ne?”, rekao je za Live Science Xiao Cheng Zeng, koautor nove studije, dok je u ruci držao flašu vode. Upravo ga je to pitanje navelo da istraži naučnu literaturu i pronađe teoriju poznatu kao hipoteza 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 potvrditi dugo traženu molekularnu promjenu vode i pomoći u objašnjenju njenih neobičnih svojstava.
Za razliku od većine tečnosti, voda se ponaša potpuno drugačije. Njena gustina raste dok se hladi sve do oko četiri stepena Celzijusa, a zatim počinje da se širi. Upravo zbog toga led pluta na površini vode. Također, voda bolje podnosi promjene temperature od mnogih drugih tečnosti i pokazuje neobične promjene viskoznosti pod određenim pritiscima.
Naučnici već dugo smatraju da bi ova neobična svojstva mogla imati zajednički uzrok.
Misterija stara više od 30 godina
Zeng proučava vodu još od kraja devedesetih godina, kada se kao postdoktorand bavio procesom zamrzavanja tečnosti. S hipotezom o dva oblika vode ozbiljnije se susreo oko 2006. godine, ali je dugo smatrao da je ideja previše složena za direktno istraživanje.
Sve se promijenilo oko 2016. godine, kada su istraživači počeli objavljivati dokaze da se ekstremno ohlađena voda može razdvojiti na oblike visoke i niske gustine.
Prije otprilike dvije i po godine Zeng je problem povjerio svom saradniku Livenu Liju, koji je predložio korištenje nenadgledanog dubokog učenja – vrste umjetne inteligencije koja sama pronalazi obrasce u velikim količinama podataka.
“Umjetna inteligencija je morala sama učiti, stvarati i istraživati”, objasnio je Zeng.
Tim je proveo ogromne simulacije molekularne dinamike, prateći kretanje i međusobne odnose stotina hiljada molekula vode. Tako je prikupljeno više desetina miliona podataka.
“Tradicionalnim metodama bio bi potreban veliki broj studenata da analiziraju sve te podatke. Uz pomoć računara i umjetne inteligencije, Liju je trebalo oko godinu i po dana. Bez AI-ja taj posao bi mogao trajati i deset godina”, rekao je Zeng.
Umjetna inteligencija pronašla skrivene obrasce
AI je izdvojila ključne parametre koji pokazuju kako se molekularna struktura vode mijenja iz gušćeg u rjeđi oblik i obrnuto.
Istraživači su otkrili da način prelaska između ova dva stanja zavisi od okolnih uslova. U većini slučajeva promjena se odvija jednostavnijim putem, ali u određenim uslovima molekuli prolaze složeniji proces s više energetskih prepreka.
Zeng to poredi s penjanjem na planinu: većina ljudi bira lakši put, ali u posebnim okolnostima moguće je krenuti potpuno drugačijom rutom.
Istraživači sada razvijaju još naprednije modele umjetne inteligencije kako bi dodatno potvrdili rezultate i povezali ih s osobinama vode poput gustine, temperature i viskoznosti.
Ipak, dokazivanje ove teorije u stvarnoj vodi bit će veliki izazov. Naučnici smatraju da će biti potrebne nove, izuzetno precizne eksperimentalne metode.
“Ako ovo bude potvrđeno eksperimentima, model će nam pomoći da razumijemo kako voda reaguje s prirodom”, zaključio je Zeng.