Científicos mapean el esquivo punto de transición líquido-líquido utilizando una red neuronal profunda

22 de febrero de 2025

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revisado por Tejasri Gururaj, Phys.org

Un nuevo estudio de Nature Physics ha arrojado luz sobre el punto crítico líquido-líquido, largamente hipotetizado, donde el agua existe simultáneamente en dos formas líquidas distintas, abriendo nuevas posibilidades para la validación experimental.

El agua es conocida por sus propiedades anómalas; a diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua es más densa en su estado líquido que en su estado sólido. Esto conduce a comportamientos únicos como el hielo flotando sobre el agua.

Una de varias características inusuales ha provocado décadas de investigación para comprender el comportamiento único del agua, especialmente en el régimen de sobreenfriamiento.

Sin embargo, estudiar la transición de fase líquido-líquido (LLPT), que se hipotetiza que ocurre en el régimen de sobreenfriamiento, ha enfrentado desafíos que los investigadores querían abordar.

Phys.org habló con los coautores del estudio, el profesor Francesco Sciortino de la Universidad Sapienza de Roma y el profesor Francesco Paesani de la Universidad de California San Diego, acerca de su trabajo.

'El agua es un líquido único con propiedades que los científicos han tratado de entender durante décadas', explicó el profesor Paesani.

'Una hipótesis de larga data sugiere que bajo condiciones extremas, específicamente a muy bajas temperaturas y altas presiones, el agua puede existir en dos fases líquidas distintas: un líquido de alta densidad y un líquido de baja densidad', continuó el profesor Sciortino.

En 1992, los investigadores propusieron por primera vez que el agua podría experimentar una transición de fase líquido-líquido (LLPT) por debajo del punto de sobreenfriamiento de -38°C, donde existen dos estados o fases líquidas distintas.

El profesor Sciortino trabajó en este problema en 1992 como becario posdoctoral en la Universidad de Boston.

La dificultad radica en lo que los investigadores llaman 'tierra de nadie', una región en el diagrama de fases del agua donde el agua líquida típicamente se cristaliza instantáneamente en hielo antes de que se puedan realizar mediciones. Esto sucede por debajo del punto crítico de sobreenfriamiento de -38°C.

La incapacidad para realizar mediciones en tiempo real ha obligado a los investigadores a depender en gran medida de simulaciones por computadora para predecir el comportamiento del agua.

Estudios anteriores han arrojado predicciones ampliamente diversas sobre la localización del supuesto punto crítico líquido-líquido (LLCP), con presiones críticas estimadas que van desde 36 hasta 270 MPa y temperaturas críticas de -123°C a -23°C (o de 150 a 250 K).

La solución llegó en forma de una conversación entre el profesor Sciortino y el profesor Paesani sobre un potencial de muchos cuerpos basado en datos desarrollado por el equipo del profesor Paesani, MB-pol.

Una mezcla de curiosidad y escepticismo sobre si MB-pol podría investigar rigurosamente la validez del escenario de dos líquidos en aguas profundamente sobreenfriadas los llevó a emprender esta investigación.

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'A pesar de su precisión, MB-pol requiere más demanda computacional que los modelos empíricos. Para superar esta limitación, Sigbjørn Bore, el tercer autor de este artículo, desarrolló un potencial de red neuronal profunda (DNN@MB-pol) entrenado con datos de MB-pol', dijo el profesor Paesani, explicando la participación de las redes neuronales en su investigación.

A diferencia de modelos de agua anteriores, este enfoque se deriva de la química cuántica de primeros principios a nivel de cluster acoplado, que se considera el estándar de oro para interacciones moleculares.

Usando el modelo DNN@MB-pol, los investigadores realizaron simulaciones de dinámica molecular de microsegundos de duración.

'Estas son cruciales para estudiar el agua en estados profundamente sobreenfriados, porque a medida que la temperatura disminuye, la difusión molecular se ralentiza drásticamente. Esta desaceleración hace que sea cada vez más difícil que el sistema alcance el equilibrio metaestable, lo que requiere simulaciones excepcionalmente largas para capturar la dinámica relevante', explicó el profesor Paesani.

Las simulaciones se llevaron a cabo en 280 puntos de estado diferentes que abarcaron 20 temperaturas (188 a 368 K o -85°C a 95°C) y 14 presiones (0.1-131.7 MPa).

Todas las simulaciones se realizaron con un sistema de 256 moléculas de agua bajo condiciones de contorno periódicas. Las simulaciones revelaron evidencia directa de dos estados líquidos distintos con diferentes densidades y estructuras. Al estudiar el agua a -85°C (188 K), los investigadores observaron fluctuaciones dramáticas de densidad que ocurrían en escalas de tiempo de microsegundos, con el agua cambiando espontáneamente entre estados de alta densidad y baja densidad alrededor de 101.3 MPa. Estas observaciones confirmaron la existencia de una transición de fase de primer orden entre dos formas líquidas de agua, con barreras de energía libre que aumentan al enfriarse, una clara firma de tales transiciones. Teniendo en cuenta la desviación sistemática del modelo en comparación con los valores experimentales, el equipo estimó el punto crítico real del agua en aproximadamente 198 K (-75°C) y 126.7 MPa. Quizás lo más significativo, el punto crítico identificado en esta investigación aparece a una presión más baja que muchas predicciones anteriores, lo que sugiere que podría ser accesible experimentalmente. Los investigadores también pudieron construir un diagrama de fases completo mostrando la curva de coexistencia líquido-líquido. "Tenemos mucha confianza en nuestro punto crítico líquido-líquido estimado, ya que se desarrolló a partir de química cuántica de primeros principios en el nivel de teoría de cluster acoplado: el estándar de oro para cálculos de estructura electrónica", dijo el Prof. Sciortino. Los resultados proporcionan la evidencia computacional más sólida hasta ahora de la existencia de la LLPT en el agua, ayudando a resolver una pregunta científica que ha persistido durante más de 30 años. Los investigadores creen que las nanogotas de agua, gotas de agua de algunos nanómetros de ancho que existen en espacios confinados o suspendidas en un medio, podrían validar experimentalmente los resultados de la LLPT. "Para nanogotas con solo unos pocos nanómetros de diámetro, la presión interna podría alcanzar valores comparables a la presión crítica líquido-líquido (~1,250 atm). Esto sugiere que las nanogotas cuidadosamente controladas podrían proporcionar un camino experimental para investigar la LLCP", dijo el Prof. Paesani. El Prof. Sciortino agregó: "Los experimentos de dispersión de neutrones y rayos X podrían usarse para detectar firmas estructurales de los dos estados líquidos dentro de estas gotas confinadas". "Específicamente, las técnicas de dispersión podrían revelar fluctuaciones de densidad y correlaciones características de fenómenos críticos. Además, la espectroscopía resuelta en el tiempo podría ayudar a capturar la dinámica de interconversión entre las dos fases líquidas". El descubrimiento de la LLPT tiene amplios impactos en múltiples campos científicos. Comprender el comportamiento de doble estado del agua podría mejorar la modelización del clima y la predicción del tiempo, proporcionar información sobre los océanos en lunas y planetas distantes, mejorar nuestra comprensión de los procesos celulares impulsados por la separación de fases y avanzar en tecnologías de almacenamiento de energía y tratamiento del agua. Más información: F. Sciortino et al, Constraints on the location of the liquid–liquid critical point in water, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02761-0. Información del diario: Nature Physics © 2025 Science X Network