دانشمندان در یک مطالعه جدید دریافتند آب تحت فشار شدید و دمای بسیار کم (سرما) می‌تواند به دو فاز مایع مختلف تقسیم شود و همزمان در این دو فاز باشد. این نظریه ده‌ها سال پیش مطرح شد اما تا به امروز ثابت نشده بود. شبیه‌سازی‌های مولکولی پیشرفته، بهره‌گیری از هوش مصنوعی و مکانیک کوانتومی، مدل‌سازی این رفتار عجیب آب را امکان‌پذیر کرده است. این کشف منجر به پیشرفت علوم مواد و فناوری زیست‌محیطی می‌شود.

آب یک ماده واقعا منحصربه‌فرد است. آب یکی از معدود موادی است که به‌طور طبیعی می‌تواند به صورت جامد، مایع و گاز در یک زمان و در شرایط عادی وجود داشته باشد. برای مثال، به یخ شناور بر روی یک حوضچه، آب مایع زیر آن و بخار آب که ابرها را تشکیل می‌دهند، فکر کنید.

اکنون محققان دانشگاه «سن دیگو کالیفرنیا» موفق به کشف یکی دیگر از خواص عجیب مایع حیات شده‌اند. تحت فشار شدید و دمای پایین، آب مایع می‌تواند به دو فاز مایع مجزا تقسیم شود که یکی از فاز دیگر چگال‌تر است. این کشف که در «Nature Physics» منتشر شده است، بینش جدیدی از رفتار پیچیده آب ارایٔه می‌دهد.

مدل‌سازی مولکولی آب

«فرانچسکو پیسانی»، استاد شیمی و بیوشیمی است که تیم محققان را در این پروژه رهبری می‌کرد. او در مطالعات خود، شیمی، فیزیک و علوم کامپیوتر را برای توسعه مدل‌های پیشرفته رفتار مولکولی ترکیب می‌کند. گروه او با استفاده از یادگیری ماشین و الگوریتم‌های محاسباتی، شبیه‌سازی‌های بسیار واقعی را ایجاد می‌کنند که دقیقا با مشاهدات تجربی همخوانی و تطابق بالایی دارند.

پسانی درباره این پروژه گفت: «بیشتر مایعات همگن هستند، به این معنا که کل مایع باهم جریان دارد و نمی‌توان یک مولکول مایع را از دیگری تشخیص داد. این ویژگی درباره آب هم صدق می‌کند. با این‌حال، در سال ۱۹۹۲ محققان این نظریه را مطرح کردند که در یک دما و فشار معین، آب مایع به نقطه بحرانی می‌رسد که در آن دیگر آب همگن نیست.»

تیم دکتر پسانی شبیه‌سازی‌هایی را انجام داد که در آن دریافتند نقطه بحرانی آب چیست – در دمای به اندازه کافی پایین (۱۹۸ کلوین) و فشار به اندازه کافی بالا (۱۲۵۰ اتمسفر)، آب به صورت خود به خود به دو فاز مایع با چگالی بالا و چگالی پایین تقسیم می‌شود. در نزدیکی این نقطه بحرانی، آب نوسانات شدید بین این دو فاز را نشان می‌دهد. در زیر این فشار، آب به فاز کم‌چگالی خود بازمی‌گردد. در بالای آن، به‌طور کامل به فاز با چگالی بالا منتقل می‌شود. این یک پدیده غیرمنتظره است که در سطح مولکولی آشکار می‌شود.

مدل چندجسمی آب مبتنی بر داده (MB-pol) که توسط گروه دکتر پسانی توسعه یافته است، بر روی محاسبات مکانیک کوانتونی داده محور آموزش داده شده است و به جای محاسبه انرژی کل سیستم به یکباره، انرژی را برحسب سهم انرژی چند جسمی تجزیه می‌کند. این انرژی‌های مرجع به یک مدل یادگیری ماشینی به عنوان ورودی داده می‌شوند که سپس می‌تواند شبیه‌سازی واقعی آب را در کل نمودار فاز نشان دهد.

پسانی مدل شرح داده شده را اینطور توضیح داد: «فردی که در یک اتاق به تنهایی حضور دارد، رفتاری از خود نشان می‌دهد. اگر شخص دیگری وارد اتاق شود، رفتار نفر اول تغییر می‌کند تا فضای کافی دراختیار نفر دوم قرار بگیرد. اگر نفر سومی نیز وارد شود، پویایی دو نفر قبل تغییر می‌کند تا فضای کافی برای نفر سوم نیز فراهم شود. این فرآیند تاجایی ادامه دارد که اضافه شدن شخص جدید، تاثیر چشم‌گیری در پویایی رفتار افراد پیشین نداشته باشد. مدل توسعه داده شده ما نیز همینطور است. در مدت زمان کوتاه، اثرات مکانیک کوانتومی وجود دارد که سبب تغییر رفتار و پویایی مولکول‌های آب می‌شود – درست همانطور که رفتار یک فرد بر دیگری تاثیر دارد. با این‌حال، در یک نقطه خاص اثرات در کل سیستم به‌طور میانگین محاسبه می‌شود – همانطور که اضافه کردن یک فرد دیگر در حالت اشباع شده، تاثیر چشم‌گیری بر رفتار دیگر افراد نداشت.»

شبیه‌سازی‌‌های مکانیک کوانتومی بسیار گران هستند. با این روش‌ها، ممکن است بتوان انرژی پنج یا شش مولکول آب را محاسبه کرد. شبیه‌سازی MB-pol را می‌توان برای چند میکروثانیه اجرا کرد. این چیزی است که دانشمندان از آن به عنوان یک مدلسازی مولکولی پیشرفته یاد می‌کنند و سال‌ها رویای آن را داشتند. با این‌حال، انجام این کار آسان نبود. اجرای این شبیه‌سازی تقریبا دو سال توسط قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان از جمله «Expanse» در مرکز ابررایانه‌های سن دیگو طول کشید.

حالا دانشمندان در قدم بعدی از این مطالعه، در نظر دارند تا شرایط آزمایشگاهی را تکرار کنند تا آزمایش را دوباره انجام دهند. درحال حاضر، این کشف دقیق‌ترین پیش‌بینی از باور دانشمندان درباره رفتار آب است که به اثبات رسیده است.