Deși este esențială pentru viață, structura apei ascunde anomalii care continuă să uimească fizicienii. Un nou studiu arată cum inteligența artificială în știință devine cheia pentru a înțelege de ce acest lichid se comportă diferit de orice altă substanță din Univers.
Apa acoperă cea mai mare parte a suprafeței Pământului, însă se comportă într-un mod care o diferențiază de aproape orice alt lichid. Una dintre trăsăturile sale cele mai neobișnuite este faptul că se dilată în loc să se contracte atunci când îngheață. Oamenii de știință au asociat de mult timp aceste comportamente ciudate cu schimbările din structura microscopică a apei, pe măsură ce temperatura și presiunea variază, dar le-a lipsit o metodă consistentă de a descrie și de a compara aceste schimbări structurale.
Acum, cercetătorii de la Universitatea din Osaka au apelat la inteligența artificială (IA) pentru a face față acestei provocări. Sistemul lor de IA oferă o metodă unificată de a compara diferitele metode de descriere a structurii apei supra-răcite, ajutând la identificarea celor care surprind caracteristicile cele mai importante. Cercetarea a fost publicată în jurnalul științific Communications Chemistry.
Ce este apa supra-răcită și de ce se comportă atât de ciudat?
Pentru ca apa lichidă să se transforme în gheață, moleculele sale trebuie să se aranjeze într-o rețea cristalină ordonată. Acest proces începe la un O „sămânță” microscopică – cum ar fi o impuritate, un fir de praf sau o zgârietură a recipientului – de care moleculele de apă se agață pentru a începe procesul de cristalizare (înghețare). o suprafață pe care se pot forma cristale de gheață. Impuritățile minuscule din apă sau chiar zgârieturile microscopice din interiorul unui recipient pot constitui aceste puncte de pornire.
Dacă aceste puncte de nucleație lipsesc, apa poate rămâne lichidă chiar și după ce a fost răcită sub punctul său normal de îngheț. Această stare neobișnuită este cunoscută sub numele de apă supra-răcită.
Proprietățile neobișnuite ale apei devin și mai pronunțate în aceste condiții. Oamenii de știință consideră că aceste comportamente sunt legate de un echilibru între două forme concurente de apă lichidă: un lichid cu densitate ridicată (HDL) și un lichid cu densitate scăzută (LDL). La nivel molecular, moleculele de apă formează și rup în mod constant rețele de Forțe electromagnetice invizibile care atrag moleculele de apă între ele, dictând modul în care acestea se grupează și se mișcă, dând apei proprietățile sale unice. Pe măsură ce temperatura crește, structurile HDL, mai compacte, devin din ce în ce mai dominante față de aranjamentele LDL, mai deschise.
Înțelegerea acestor stări nu este doar o curiozitate teoretică; ea explică modul în care se formează gheața în nori la altitudini mari, influențând clima, și poate revoluționa tehnologiile de conservare biologică prin criogenie.
IA compară modelele concurente ale apei
Cum modifică inteligența artificială în știință analiza moleculară
De-a lungul anilor, cercetătorii au propus numeroase modalități diferite de a descrie aranjamentul local al moleculelor de apă, inclusiv măsurători precum ordinea legăturilor tetraedrice și densitatea locală. Deoarece acești Parametri matematici și fizici folosiți de cercetători pentru a „harta” și traduce geometria complexă a moleculelor într-un limbaj pe care calculatoarele să îl poată analiza. au fost dezvoltați independent, ei utilizează scări, dimensiuni și tipuri de informații diferite. Acest lucru a îngreunat compararea lor directă și determinarea celor mai utili dintre ei.
„Studiile anterioare au arătat că utilizarea învățării automate pentru clasificarea și înțelegerea datelor structurale este eficientă. Am dorit în mod specific să incorporăm un model de rețea neuronală în acest studiu pentru a evalua cât de precise erau descriptorii în captarea informațiilor structurale cheie, într-un mod similar cu cogniția umană.”, explică autorul corespondent Kang Kim, conform publicației Science Daily.
În fizica moleculară, descriptorii structurali sunt formule matematice folosite pentru a cartografia poziția atomilor. Până acum, oamenii de știință foloseau modele fragmentate, dar rețeaua neuronală a reușit să unifice cele 16 perspective diferite într-un singur model predictiv.
Pentru a antrena IA, cercetătorii au alimentat rețeaua neuronală cu date structurale generate din simulări de Metodă de simulare pe calculator care modelează mișcările fizice ale atomilor și moleculelor, permițând savanților să observe interacțiuni imposibil de văzut la microscop. a Stare instabilă în care apa rămâne lichidă la temperaturi mult sub punctul normal de îngheț (0°C), deoarece îi lipsește un punct de declanșare pentru formarea gheții. Prin încercări și erori repetate, sistemul a învățat să recunoască tipare semnificative în structurile moleculare.
Noi indicii privind structura ascunsă a apei
„Rețeaua a folosit ceea ce învățase pentru a compara modul în care 16 descriptori diferențiau structurile LDL de cele HDL la temperaturi diferite. În acest fel, am determinat cei mai eficienți descriptori.”, relatează Nobuyuki Matubayasi, autorul principal.
Cercetătorii afirmă că cadrul lor de lucru ar putea îmbunătăți înțelegerea oamenilor de știință cu privire la modul în care schimbările structurale microscopice sunt legate de Modul în care o substanță absoarbe energia și reacționează (își schimbă starea, volumul sau structura) la variațiile de căldură și presiune. al apei. Descoperirile ar putea contribui, de asemenea, la explicarea originii proprietăților neobișnuite ale apei, ghidând în același timp dezvoltarea unor instrumente și mai performante pentru studierea structurii sale moleculare complexe.
Prin descifrarea acestor tipare microscopice, algoritmul nu doar că rezolvă o dilemă despre structura apei, dar demonstrează că inteligența artificială poate identifica ordinea acolo unde mintea umană vede doar haos molecular.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Bacteriile care dau gust brânzeturilor artizanale ar putea fi utile și intestinului
Cum poate fi transformat ADN-ul într-un dispozitiv de stocare a datelor care consumă de 100 de ori mai puțină energie
Oamenii de știință explică de ce mersul devine mai greu odată cu vârsta
Remediul împotriva căderii părului s-ar putea ascunde în interiorul organismului, iar cercetătorii încearcă să-l descopere
