Физики доказали сосуществование двух жидких состояний воды на молекулярном уровне

Группа физикохимиков под руководством Сяо Чэн Цзэна и Ливэнь Ли провела масштабное компьютерное моделирование поведения сотен тысяч молекул воды. Полученный массив данных был настолько велик, что его ручной анализ занял бы около десяти лет. Для обработки информации ученые применили метод «обучения без учителя» — нейросеть, способную самостоятельно выявлять скрытые закономерности без подсказок человека. Алгоритм справился с задачей за полтора года.

Подтверждение 30-летней гипотезы

Анализ показал ключевые переменные в хаотическом движении молекул и позволил определить точные пути перехода воды из плотного состояния в менее плотное и обратно. Физики выяснили, что обычно этот переход происходит по простому пути с одним энергетическим барьером — уровнем энергии, который молекула должна накопить для изменения структуры. Однако в особых условиях, например при нуле градусов Цельсия, когда лед тает и превращается в воду, молекулы меняют состояние по сложному «круговому маршруту», преодолевая сразу три энергетических барьера.

Полученные результаты подтверждают спорную гипотезу, выдвинутую около 30 лет назад, о том, что обычная вода состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного. Ранее эта идея вызывала сомнения, так как фазовые переходы между жидкостями сложно наблюдать экспериментально. Использование машинного обучения позволило доказать существование двойственной природы воды на молекулярном уровне.

Значение для науки и медицины

Открытие может объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании (в отличие от большинства жидкостей) и парадоксальное изменение вязкости под давлением. Теперь авторы исследования планируют усовершенствовать модель машинного обучения, чтобы связать особенности фазового перехода с макроскопическими свойствами воды: плотностью, температурой и вязкостью.

Ученые подчеркивают, что большинство биологических и фармацевтических процессов на Земле протекает в водной среде. Точное понимание структуры жидкой воды в будущем позволит детально разобраться, как в растворах взаимодействуют белки, соли и сложные молекулы лекарств. Это критически важно для создания новых инъекционных препаратов и понимания работы живых клеток.

Работа китайских исследователей открывает новые перспективы в физике конденсированного состояния и обещает прорыв в моделировании водных систем на молекулярном уровне.