Gli scienziati mappano il punto di transizione liquido-liquido sfuggente utilizzando una rete neurale profonda

22 febbraio 2025 caratteristica

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le linee guida di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

verifica dei fatti

pubblicazione revisionata da esperti

fonte affidabile

corretto

di Tejasri Gururaj, Phys.org

Uno studio recente di Nature Physics ha fatto luce sul punto critico liquido-liquido a lungo ipotizzato in cui l'acqua esiste contemporaneamente in due forme liquide distinte, aprendo nuove possibilità per la validazione sperimentale.

L'acqua è nota per le sue proprietà anomale—contrariamente alla maggior parte delle sostanze, l'acqua è più densa nel suo stato liquido che non solido. Questo porta a comportamenti unici come il galleggiamento dei ghiacci sull'acqua.

Una delle numerose caratteristiche insolite ha spinto decenni di ricerca per capire il comportamento unico dell'acqua, in particolare nel regime del super-raffreddamento.

Tuttavia, lo studio della transizione di fase liquido-liquido (LLPT), ipotizzata che si verifichi nel regime super-raffreddato, ha affrontato sfide che i ricercatori volevano affrontare.

Phys.org ha parlato con i coautori dello studio, il Prof. Francesco Sciortino dell'Università di Roma Sapienza e il Prof. Francesco Paesani dell'Università della California a San Diego, riguardo al loro lavoro.

"L'acqua è un liquido unico con proprietà che gli scienziati cercano di capire da decenni", ha spiegato il Prof. Paesani.

Il Prof. Sciortino ha continuato, "Il punto in cui queste due fasi diventano indistinguibili è noto come punto critico liquido-liquido. Tuttavia, la sua conferma sperimentale è rimasta elusiva a causa della sfida nel prevenire che l'acqua si geli prima di raggiungere queste condizioni".

Quando l'acqua pura viene raffreddata a -38°C, rimane allo stato liquido nonostante superi il suo punto di congelamento a 0°C. Questo è noto come uno stato super-raffreddato.

Nel 1992 i ricercatori hanno per la prima volta proposto che l'acqua potesse avere una transizione di fase liquido-liquido (LLPT) sotto il punto super-raffreddato di -38°C, dove esiste in due stati o fasi liquidi distinti.

Il Prof. Sciortino ha lavorato su questo problema nel 1992 come ricercatore postdoc presso la Boston University.

La difficoltà deriva da ciò che i ricercatori chiamano 'terra di nessuno', una regione nel diagramma di fase dell'acqua dove l'acqua liquida si cristallizza istantaneamente in ghiaccio prima che siano possibili misurazioni. Questo avviene al di sotto del punto critico super-raffreddato di -38°C.

L'incapacità di condurre misurazioni in tempo reale ha costretto i ricercatori a fare affidamento pesante sulle simulazioni al computer per predire il comportamento dell'acqua.

Studi precedenti hanno prodotto previsioni molto variabili per la posizione del presunto punto critico liquido-liquido (LLCP), con pressioni critiche stimate che vanno da 36 a 270 MPa e temperature critiche da -123°C a -23°C (o da 150 a 250 K).

La soluzione è arrivata sotto forma di conversazione tra il Prof. Sciortino e il Prof. Paesani riguardo a un potenziale a molti corpi basato sui dati sviluppato dal team del Prof. Paesani, MB-pol.

Un misto di curiosità e scetticismo circa la possibilità che MB-pol potesse indagare rigorosamente sulla validità dello scenario a due liquidi nell'acqua profondamente super-raffreddata li ha spinti a perseguire questa ricerca.

Scopri le ultime novità in scienza, tecnologia e spazio con oltre 100.000 abbonati che si affidano a Phys.org per insight giornalieri. Iscriviti alla nostra newsletter gratuita e ricevi aggiornamenti su scoperte, innovazioni e ricerche che contano – quotidianamente o settimanalmente.

"Nonostante la sua accuratezza, MB-pol richiede più risorse di calcolo rispetto ai modelli empirici. Per superare questa limitazione, Sigbjørn Bore, il terzo autore di questo documento, ha sviluppato un potenziale di rete neurale profonda (DNN@MB-pol) addestrato sui dati MB-pol", ha spiegato il Prof. Paesani, spiegando il coinvolgimento delle reti neurali nella loro ricerca.

A differenza dei modelli d'acqua precedenti, questo approccio deriva dalla chimica quantistica dei primi principi a livello di cluster accoppiato, che è considerato lo standard di riferimento per le interazioni molecolari.

Utilizzando il modello DNN@MB-pol, i ricercatori hanno condotto simulazioni di dinamica molecolare di microsecondi.

"Queste sono cruciali per lo studio dell'acqua negli stati profondamente super-raffreddati perché, man mano che la temperatura diminuisce, la diffusione molecolare rallenta drasticamente. Questo rallentamento rende sempre più difficile che il sistema raggiunga un equilibrio metastabile, richiedendo simulazioni particolarmente lunghe per catturare le dinamiche rilevanti", ha spiegato il Prof. Paesani.

Le simulazioni sono state condotte in 280 punti di stato diversi che vanno da 20 temperature (188 a 368 K o da -85°C a 95°C) e 14 pressioni (0,1 – 131,7 MPa).

Tutte le simulazioni sono state condotte con un sistema di 256 molecole d'acqua nelle condizioni ai contorni periodici. Le simulazioni hanno rivelato prove dirette di due diversi stati liquidi con densità e strutture diverse. Nel momento in cui hanno studiato l'acqua a -85°C (188 K), i ricercatori hanno osservato drammatiche fluttuazioni di densità che avvengono su scale temporali di microsecondi, con l'acqua che passa spontaneamente tra stati ad alta densità e bassa densità a circa 101,3 MPa. Queste osservazioni hanno confermato l'esistenza di una transizione di fase di primo ordine tra due forme liquide dell'acqua, con barriere di energia libera che aumentano con il raffreddamento, una chiara firma di tali transizioni. Considerando la deviazione sistematica del modello rispetto ai valori sperimentali, il team ha stimato il punto critico effettivo dell'acqua a circa 198 K (-75°C) e 126,7 MPa. Forse più significativamente, il punto critico identificato in questa ricerca appare a una pressione più bassa rispetto a molte previsioni precedenti, suggerendo che potrebbe essere sperimentalmente accessibile. I ricercatori sono stati in grado anche di costruire un diagramma di fase completo che mostra la curva di coesistenza liquido-liquido. "Siamo molto fiduciosi nel nostro punto critico liquido-liquido stimato poiché è sviluppato dai principi della chimica quantistica a livello di teoria dell'accoppiamento-cluster - lo standard oro per i calcoli della struttura elettronica," ha dichiarato il Prof. Sciortino. I risultati forniscono la prova computazionale più forte sinora dell'esistenza del LLPT nell'acqua, contribuendo a risolvere una questione scientifica che è persistita per oltre 30 anni. I ricercatori ritengono che le nanogocce d'acqua - gocce d'acqua larghe solo nanometri che esistono in spazi confinati o sospese in un mezzo - potrebbero convalidare sperimentalmente i risultati del LLPT. "Per nanogocce con diametro di pochi nanometri, la pressione interna potrebbe raggiungere valori comparabili alla pressione critica liquido-liquido (~1.250 atm). Questo suggerisce che nanogocce attentamente controllate potrebbero fornire un percorso sperimentale per esaminare il LLCP," ha detto il Prof. Paesani. Il Prof. Sciortino ha aggiunto: "Esperimenti di scattering di neutroni e raggi X potrebbero essere utilizzati per rilevare firme strutturali dei due stati liquidi all'interno di queste gocciol di liquido confinate." "In particolare, le tecniche di scattering potrebbero rivelare fluttuazioni di densità e correlazioni caratteristiche dei fenomeni critici. Inoltre, la spettroscopia a risoluzione temporale potrebbe aiutare a catturare la dinamica di interconversione tra le due fasi liquide." La scoperta del LLPT ha ampi impatti su molteplici campi scientifici. Comprendere il comportamento a due stati dell'acqua potrebbe migliorare la modellizzazione del clima e le previsioni meteorologiche, fornire spunti sulle oceani delle lune e dei pianeti lontani, approfondire la nostra comprensione dei processi cellulari guidati dalla separazione di fase e far avanzare le tecnologie di stoccaggio dell'energia e trattamento dell'acqua. Ulteriori informazioni: F. Sciortino et al, Vincoli sulla posizione del punto critico liquido-liquido nell'acqua, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02761-0. Informazioni sulla rivista: Nature Physics © 2025 Science X Network