آب ماده‌ای منحصر‌به‌فرد است که هیچ شباهتی به دیگر موادی که روزانه با آن‌ها سروکار داریم ندارد. تصور کنید که یک برکه یخ‌زده را مشاهده می‌کنید؛ سطح یخ‌زده آن دنیای مایعی را در زیر خود پنهان کرده است، درحالی‌که ابرهای طوفانی در آسمان می‌چرخند. این تعامل میان حالت‌های جامد، مایع و گاز، نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری شگفت‌انگیز آب است.
علاوه بر این، آب یکی از معدود موادی است که در حالت جامد، چگالی کمتری نسبت به حالت مایع خود دارد؛ به همین دلیل، تکه‌های یخ روی نوشیدنی‌های شما شناور می‌مانند.
آیا آب یک فاز مایع دوم هم دارد؟
دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو به‌تازگی پیچیدگی دیگری در ماهیت آب کشف کرده‌اند.
بر اساس پژوهش آن‌ها، تحت شرایط خاصی شامل فشار بالا و دمای پایین، آب به دو فاز مایع تقسیم می‌شود: فاز با چگالی بالا و فاز با چگالی پایین. در صورت تأیید این کشف، می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر دنیای فیزیک بگذارد.
این تحقیق توسط فرانچسکو پیزانی، استاد شیمی و بیوشیمی دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، رهبری شده است.
او و تیمش با استفاده از تکنیک‌های یادگیری ماشین و الگوریتم‌های پیشرفته، مدل‌های مولکولی دقیقی ایجاد کرده‌اند که داده‌های آزمایشگاهی را به‌خوبی بازتاب می‌دهند.
پیزانی در این باره می‌گوید: «مدل ما از آب آن‌قدر واقعی است که تقریباً می‌توان آن را نوشید.»
آب همیشه یکدست نیست
مایعات معمولاً همگن هستند؛ آن‌ها به‌طور یکنواخت جریان می‌یابند و تمایز میان مولکول‌های آن‌ها غیرممکن است. این قاعده در مورد آب نیز صدق می‌کند.
اما در سال ۱۹۹۲، پژوهشگران نظریه‌ای مطرح کردند که نشان می‌داد در دما و فشاری خاص، آب ممکن است دیگر یکدست باقی نماند. اکنون، تیم دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو با شبیه‌سازی‌هایی، این نظریه را تأیید کرده است.
آن‌ها نقطه بحرانی این پدیده را شناسایی کردند: دمایی در حدود ۱۹۸ کلوین (۱۰۳- درجه فارنهایت) و فشاری حدود ۱۲۵۰ اتمسفر. در این نقطه، آب به‌طور خودبه‌خود به دو فاز مایع تقسیم می‌شود؛ یکی با چگالی بالا و دیگری با چگالی پایین.
پس از این نقطه، آب به‌طور غیرمنتظره‌ای بین این دو فاز تغییر می‌کند؛ پدیده‌ای که برخلاف انتظار است و در سطح مولکولی رخ می‌دهد.
در سال ۱۹۹۲، دانشمندان با یک شبیه‌سازی ابتدایی این رفتار غیرعادی آب را پیش‌بینی کرده بودند. از آن زمان، تلاش‌های زیادی برای بازتولید این جدایش خودبه‌خودی در آزمایشگاه صورت گرفته، اما هیچ‌کدام موفقیت‌آمیز نبوده است.
بااین‌حال، مدل‌سازی رایانشی در دهه‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است، به‌ویژه در زمینه مدل‌های داده‌محور برای شبیه‌سازی تعاملات بین‌مولکولی. این حوزه تخصص تیم پیزانی است.
بررسی رفتار آب در سراسر نمودار فازی
مدل داده‌محور آب (MB-pol) که توسط گروه پیزانی توسعه یافته است، بر اساس محاسبات مکانیک کوانتومی سطح بالا آموزش داده شده است. به‌جای محاسبه انرژی کل سیستم به‌طور یکجا، این مدل انرژی را به بخش‌های کوچکتر تفکیک کرده و آن را در قالب یک سیستم چند‌مولکولی بررسی می‌کند.
دانشمندان می‌گویند که این انرژی‌های مرجع در یک مدل یادگیری ماشین تغذیه می‌شود که در نهایت شبیه‌سازی‌های دقیقی از آب را در سراسر نمودار فازی آن ارائه می‌دهد.
پیزانی توضیح می‌دهد: «درست همان‌طور که اضافه شدن یک نفر به اتاق شلوغ تأثیر چندانی بر رفتار افراد دیگر ندارد، مولکول‌های آب نیز تا یک حد مشخص رفتار یکسانی دارند و تغییرات اضافی تأثیر چشمگیری بر آن‌ها نمی‌گذارد.»
او اضافه می‌کند: «شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی معمولاً هزینه‌بر و پیچیده هستند. ممکن است بتوانید انرژی ۵ یا ۶ مولکول آب را محاسبه کنید، اما روش ما با استفاده از MB-pol و یادگیری ماشین، امکان اجرای شبیه‌سازی‌هایی را تا چندین میکروثانیه فراهم می‌کند. این همان چیزی است که دانشمندان علوم مولکولی سال‌ها در آرزوی آن بودند.»
گام بعدی: جدایش مایع-مایع
باوجود این کشف بزرگ، مسیر تحقیق ساده نبوده است. شبیه‌سازی‌هایی که برای این پژوهش انجام شدند، نزدیک به دو سال محاسبات مداوم زمان بردند و این کار تنها با کمک برخی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان ممکن شد.
پژوهشگران امیدوارند که این یافته در آینده به توسعه مایعات مصنوعی منجر شود که ویژگی‌هایی مشابه انتقال فاز مایع-مایع آب را در شرایط معمولی داشته باشند.
تصور کنید مایعات متخلخلی که مانند اسفنج عمل می‌کنند و قادرند آلاینده‌ها را جذب کرده یا در فرآیند شیرین‌سازی آب کمک کنند.
پیزانی می‌گوید: «این شبیه‌سازی تقریباً دو سال طول کشید، بنابراین واقعاً دستاورد هیجان‌انگیزی است. ما بر این باوریم که پیش‌بینی ما کاملاً واقع‌بینانه است و اکنون وظیفه پژوهشگران تجربی است که این پیش‌بینی را در آزمایشگاه تأیید کنند.»
اگرچه بازسازی این شرایط در آزمایشگاه چالش‌برانگیز است، اما پیشرفت‌هایی در فناوری نانوذرات – مانند تولید قطرات کوچک آب که به دلیل کشش سطحی فشار داخلی بالایی ایجاد می‌کنند – می‌تواند به این تحقیقات کمک کند.
این مطالعه به‌طور کامل در ژورنال Nature Physics منتشر شده است.
