روی پنهان آب؛ آب می‌تواند همزمان در دو حالت مایع وجود داشته باشد!

دانشمندان دریافته‌اند که آب، تحت فشار بسیار زیاد و دمای بسیار پایین، می‌تواند به دو فاز مایع متفاوت تقسیم شود. این موضوع دهه‌ها پیش نظریه‌پردازی شده بود اما هرگز اثبات نشد تا اینکه اکنون به واقعیت پیوسته است.

شبیه‌سازی‌های مولکولی پیشرفته، با استفاده از هوش مصنوعی و مکانیک کوانتومی، امکان مدل‌سازی این رفتار گریزان را فراهم کرده‌اند که به کاربردهای بالقوه آینده در علم مواد و فناوری‌های زیست‌محیطی اشاره دارد.

ماهیت منحصر‌به‌فرد آب

آب ماده‌ای واقعاً منحصر‌به‌فرد است و یکی از معدود موادی است که می‌تواند به طور طبیعی به صورت جامد، مایع و گاز به طور همزمان در شرایط عادی وجود داشته باشد. به عنوان مثال، به یخ شناور روی برکه، آب مایع زیر آن و بخار آب تشکیل‌دهنده ابرها در بالای آن فکر کنید. همچنین غیرعادی است زیرا شکل جامد آن، یخ، چگالی کمتری نسبت به شکل مایع آن دارد، به همین دلیل شناور می‌شود.

اکنون، محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، ویژگی قابل‌توجه دیگری از آب را کشف کرده‌اند. تحت فشار بسیار زیاد و دمای پایین، آب مایع می‌تواند به دو فاز مایع متمایز جدا شود، یکی متراکم‌تر از دیگری! این کشف که در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است، بینش جدیدی در مورد رفتار پیچیده آب ارائه می‌دهد.

مدل‌سازی مولکولی: یک رویکرد جدید

فرانچسکو پازانی، استاد شیمی و بیوشیمی در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، تیمی را رهبری می‌کند که شیمی، فیزیک و علوم کامپیوتر را برای توسعه مدل‌های پیشرفته رفتار مولکولی ترکیب کرده است. گروه او با استفاده از یادگیری ماشین و الگوریتم‌های محاسباتی، شبیه‌سازی‌های بسیار واقعی ایجاد می‌کند که با مشاهدات تجربی مطابقت نزدیکی دارند.

پازانی می‌گوید:

مدل آب ما آنقدر واقعی است که تقریباً می‌توانید آن را بنوشید!

نقطه بحرانی آب آشکار شد!

اکثر مایعات همگن هستند—همه با هم جریان دارند و نمی‌توانید یک مولکول مایع را از مولکول دیگر تشخیص دهید. در واقع، این موضوع بیشتر در مورد آب صدق می‌کند. با این حال، در سال 1992 محققان نظریه‌پردازی کردند که در یک دمای و فشار معین، آب مایع به یک نقطه بحرانی می‌رسد که در آن دیگر همگن نخواهد بود!

تیم پازانی شبیه‌سازی‌هایی را انجام داد که نقطه بحرانی را نشان می‌داد که در آن دما به اندازه کافی پایین (منفی 75 درجه سانتی‌گراد) و فشار به اندازه کافی بالا (1250 اتمسفر) است تا آب به طور خود به خود به مایعات با چگالی بالا و چگالی پایین جدا شود.

در این نقطه بحرانی، آب نوسانات شدیدی بین فازهای چگالی بالا و چگالی پایین نشان می‌دهد. زیر این فشار، آب به فاز چگالی پایین خود باز می‌گردد. بالای آن، به طور کامل به فاز چگالی بالا منتقل می‌شود. این یک پدیده غیرمنتظره است که در سطح مولکولی آشکار می‌شود.

پیشرفت مدل‌های محاسباتی

شبیه‌سازی سال 1992 خام بود. از آن زمان، محققان تلاش کرده‌اند تا این جداسازی خود‌به‌خودی را به صورت تجربی ایجاد کنند، اما بدون موفقیت! در طول سه دهه گذشته، پیشرفت در مدل‌سازی محاسباتی، شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر و جزئی‌تر را ممکن کرده است، به ویژه ظهور پتانسیل‌های چند جسمی مبتنی بر داده، که گروه پازانی در آن تخصص دارد.

مدل چند جسمی مبتنی بر داده آب (MB-pol) که توسط گروه پازانی توسعه یافته است، بر اساس محاسبات مکانیکی کوانتومی سطح بالا (مبتنی بر داده) آموزش داده شده است و به جای محاسبه انرژی کل سیستم به‌طور همزمان، انرژی را بر اساس مشارکت‌های فردی تجزیه می‌کنند (چند جسمی). این انرژی‌های مرجع به یک مدل یادگیری ماشین وارد می‌شوند که سپس می‌تواند شبیه‌سازی‌های واقعی آب را در کل نمودار فازی ارائه دهد.

درک آب در سطح کوانتومی

پازانی مدل MB-pol را به این صورت توضیح می‌دهد:

فردی که به‌تنهایی در یک اتاق است، به روش خاصی رفتار می‌کند. اگر شخص دیگری وارد اتاق شود، رفتار فرد اول برای تطبیق با فرد دوم تغییر می‌کند. اگر فرد سوم وارد شود، پویایی دو نفر اول تغییر می‌کند. این روند ادامه می‌یابد تا زمانی که افراد زیادی در اتاق باشند که اضافه شدن یک نفر دیگر تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار هیچ فردی نداشته باشد.

MB-pol به این صورت کار می‌کند. در برد کوتاه، اثرات مکانیکی کوانتومی وجود دارد که مستقیماً رفتار مولکول‌های آب را تغییر می‌دهد، درست همانطور که یک فرد بر رفتار دیگری تأثیر می‌گذارد. با این حال، در یک نقطه معین، اثرات در کل سیستم میانگین‌گیری می‌شوند، درست همانطور که اضافه کردن یک نفر دیگر به یک اتاق شلوغ تأثیری بر رفتار فرد دیگر ندارد.

ابررایانه‌ها و آینده پژوهش

پازانی می‌گوید:

شبیه‌سازی‌های مکانیکی کوانتومی می‌تواند بسیار پرهزینه باشد. ممکن است بتوانید انرژی‌های پنج یا شش مولکول آب را محاسبه کنید. روش ما، با استفاده از MB-pol و یادگیری ماشین، به ما امکان می‌دهد شبیه‌سازی‌ها را تا چندین میکروثانیه اجرا کنیم. این چیزی است که دانشمندان مولکولی محاسباتی مدت‌ها در مورد آن رویاپردازی کرده‌اند.

با این حال، این کشف آسان به دست نیامد. اجرای شبیه‌سازی‌ها برای این تحقیق تقریباً دو سال محاسبات بدون وقفه را با استفاده از برخی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان، از جمله Expanse در مرکز ابررایانه سن دیگو، که یکی از ارکان دانشکده جدید محاسبات، اطلاعات و علوم داده دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو است، به طول انجامید.

مایعات مصنوعی و احتمالات آینده

در آینده، با توسعه فناوری، پازانی امیدوار است که این تحقیق بتواند برای طراحی مایعات مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد که همانند آب، انتقال مایع-مایع مشابهی را تجربه می‌کنند، اما می‌توانند این کار را در شرایط روزمره انجام دهند. مایعات متخلخلی که می‌توانند از چگالی پایین به چگالی بالا حرکت کنند، مشابه اسفنج‌ها عمل می‌کنند و می‌توانند برای جذب آلاینده‌ها یا کمک به نمک‌زدایی آب مورد استفاده قرار گیرند.

پازانی می‌گوید:

شبیه‌سازی تقریباً دو سال طول کشید، بنابراین این یک دستاورد واقعاً هیجان‌انگیز است. فکر می‌کنم تخمین ما بسیار واقع‌بینانه است. اکنون نوبت محققان تجربی است که ببینند آیا پیش‌بینی‌های ما درست هستند یا خیر.

چالش اثبات تجربی

در حال حاضر، بازآفرینی این شرایط در آزمایشگاه یک چالش باقی می‌ماند. با این حال، فناوری نانو قطره می‌تواند با ایجاد قطرات کوچک آب که از طریق کشش سطحی فشار داخلی بالایی ایجاد می‌کنند، راهی برای پیشرفت ارائه دهد، که به طور بالقوه منجر به تأیید تجربی این پدیده می‌شود.

در حال حاضر، این کشف دقیق‌ترین پیش‌بینی را از پدیده‌ای ارائه می‌دهد که دانشمندان مدت‌ها به آن مشکوک بوده‌اند، اما هرگز مستقیماً مشاهده نکرده‌اند. و وقتی آن روز فرا برسد، ممکن است نحوه تفکر ما در مورد آب را برای همیشه تغییر دهد.

منبع: Scitechdaily