Cercetătorii au dezvăluit secretul apei: poate exista în două faze lichide în același timp

Oamenii de știință au descoperit că apa, aflată sub presiune extremă și la temperaturi scăzute, se poate separa în două faze lichide distincte. Această teorie a fost propusă acum câteva decenii, dar niciodată demonstrată—până acum.

Simulările avansate la nivel molecular, bazate pe inteligență artificială și mecanică cuantică, au făcut posibilă modelarea acestui comportament eluziv, deschizând calea către aplicații viitoare în știința materialelor și tehnologiile de mediu.

• Oamenii de știință au reușit să crească dinți umani în laborator
• Care este motivul pentru care cercetătorii au „tatuat” tardigrade?

Apa este o substanță cu adevărat unică. Este unul dintre puținele materiale care pot exista în mod natural în stare solidă, lichidă și gazoasă simultan—de exemplu, gheața care plutește pe un lac, apa lichidă dedesubt și vaporii de apă care formează nori deasupra. De asemenea, este neobișnuită deoarece gheața este mai puțin densă decât apa lichidă, motiv pentru care plutește.

Acum, cercetătorii de la Universitatea din California, San Diego au descoperit o altă proprietate remarcabilă a apei. Sub presiune extremă și la temperaturi scăzute, apa lichidă se poate separa în două faze lichide distincte—una cu densitate mai mare decât cealaltă. Această descoperire, publicată în Nature Physics, oferă o nouă perspectivă asupra comportamentului complex al apei.

Francesco Paesani, profesor de chimie și biochimie la UC San Diego, conduce o echipă care combină chimia, fizica și știința computerelor pentru a dezvolta modele avansate ale comportamentului molecular.

Folosind învățarea automată și algoritmi computaționali, echipa sa creează simulări extrem de realiste, care se potrivesc foarte bine cu observațiile experimentale.

Apa poate exista în două faze lichide diferite

Majoritatea lichidelor sunt omogene—moleculele lor se amestecă complet, astfel încât nu se pot distinge unele de altele. Acest lucru este valabil în mare parte și pentru apă. Totuși, în 1992, cercetătorii au teoretizat că, la o anumită temperatură și presiune, apa lichidă ar putea ajunge într-un punct critic, unde nu mai este omogenă.

În acest punct, apa începe să oscileze între faze cu densitate mare și densitate mică. Sub această presiune, revine la faza cu densitate mică; peste acest nivel, se transformă complet în faza cu densitate mare. Aceasta este o anomalie neașteptată la nivel molecular, scrie SciTechdaily.

Simularea din 1992 a fost rudimentară, iar timp de trei decenii, cercetătorii nu au reușit să reproducă experimental această separare. Însă progresele în modelarea computațională, mai ales dezvoltarea potențialelor multi-corp bazate pe date, au permis simulări mai detaliate și precise.

Modelul MB-pol dezvoltat de echipa lui Paesani este antrenat pe calcule mecanico-cuantice avansate și descompune energia sistemului în contribuții individuale.

Aceste valori sunt apoi introduse într-un model de învățare automată, care oferă simulări realiste ale apei în toate stările sale de agregare.

Înțelegerea apei la nivel cuantic

„Simulările mecanico-cuantice pot fi extrem de costisitoare. Poți calcula energia a cinci sau șase molecule de apă. Dar metoda noastră, folosind MB-pol și învățarea automată, ne permite să rulăm simulări care durează până la câteva microsecunde,” explică Paesani. „Este un vis devenit realitate pentru oamenii de știință care studiază moleculele computațional.”

Această descoperire nu a fost ușoară. Simulările au necesitat aproape doi ani de calcule continue pe unele dintre cele mai puternice supercomputere din lume, inclusiv Expanse, de la Centrul de Supercomputere San Diego, parte a noii Școli de Informatică, Științe ale Datelor și Calcul de la UC San Diego.

Această descoperire oferă o înțelegere mai profundă a apei, un lichid esențial pentru viață și pentru numeroase procese industriale. Deși confirmarea experimentală încă lipsește, modelele computaționale din ce în ce mai precise deschid noi posibilități în știința materialelor, nanotehnologie și studii climatice.

Apa continuă să ne surprindă, iar această nouă proprietate ar putea avea implicații majore în viitor.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Amenda primită de un post de televiziune care vindea „apă miraculoasă de izvor”

Cele două județe din România în care facturile la apă au explodat

Apa ar putea fi mai veche decât am crede și ar fi făcut parte din primele galaxii

Ceaiul negru, verde sau alb elimină metale grele din apă, arată un studiu