Wetenschappers mappen ongrijpbaar vloeistof-vloeistof overgangspunt met behulp van diep neuraal netwerk.

22 februari 2025 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidslijnen van Science X. Editors hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gefactcheckt

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

gecorrigeerd

door Tejasri Gururaj, Phys.org

Een nieuwe studie van Nature Physics heeft meer inzicht geboden in het lang veronderstelde kritieke vloeistof-vloeistofpunt waar water tegelijkertijd in twee verschillende vloeibare vormen bestaat, wat nieuwe mogelijkheden opent voor experimentele validatie.

Water staat bekend om zijn anomalieën - in tegenstelling tot de meeste stoffen is water het dichtst in zijn vloeibare toestand, niet vast. Dit leidt tot unieke gedragingen zoals ijs dat op water drijft.

Een van verschillende van dergelijke ongebruikelijke eigenschappen heeft tientallen jaren van onderzoek aangewakkerd om het unieke gedrag van water te begrijpen, met name in het onderkoelde regime.

Echter, het bestuderen van de vloeistof-vloeistof faseovergang (LLPT), die verondersteld wordt te gebeuren in het onderkoelde regime, heeft te maken gehad met uitdagingen die de onderzoekers wilden aanpakken.

Phys.org sprak met de co-auteurs van de studie, prof. Francesco Sciortino van de Universiteit van Rome en prof. Francesco Paesani van de Universiteit van Californië, San Diego, over hun werk.

'Water is een unieke vloeistof met eigenschappen waar wetenschappers tientallen jaren proberen te begrijpen,' legde prof. Paesani uit.

'Een lang bestaande hypothese suggereert dat onder extreme omstandigheden - specifiek bij zeer lage temperaturen en hoge drukken - water kan bestaan in twee verschillende vloeibare fasen: een vloeistof met hoge dichtheid en een vloeistof met lage dichtheid.'

Prof. Sciortino ging verder, 'Het punt waarop deze twee fasen niet meer te onderscheiden zijn, staat bekend als het vloeistof-vloeistof kritieke punt. Echter, de experimentele bevestiging ervan is ongrijpbaar gebleven vanwege de uitdaging om te voorkomen dat water bevriest voordat deze condities worden bereikt.'

Wanneer zuiver water wordt afgekoeld tot -38°C, blijft het in vloeibare vorm ondanks het passeren van zijn vriespunt op 0°C. Dit staat bekend als een onderkoelde toestand.

In 1992 stelden onderzoekers voor dat water een vloeistof-vloeistof faseovergang (LLPT) kan hebben onder het onderkoelingspunt van -38°C, waar het bestaat in twee verschillende vloeibare staten of fasen.

Prof. Sciortino werkte aan dit probleem in 1992 als postdoc aan de Boston Universiteit.

De moeilijkheid komt voort uit wat onderzoekers 'no man's' land noemen, een regio in het fase diagram van water waarin vloeibaar water typisch direct kristalliseert in ijs voordat metingen kunnen worden verricht. Dit gebeurt onder het supergekoelde kritieke punt van -38°C.

De onmogelijkheid om metingen in realtime uit te voeren heeft onderzoekers gedwongen sterk te vertrouwen op computersimulaties om het gedrag van water te voorspellen.

Eerdere studies hebben zeer uiteenlopende voorspellingen opgeleverd voor de locatie van het voorgestelde vloeistof-vloeistof kritiek punt (LLCP), met geschatte kritieke drukken variërend van 36 tot 270 MPa en kritieke temperaturen van -123°C tot -23°C (of 150 tot 250 K).

De oplossing kwam in de vorm van een gesprek tussen prof. Sciortino en prof. Paesani over een door gegevens gedreven many-body potentiaal ontwikkeld door het team van prof. Paesani, MB-pol.

Een mix van nieuwsgierigheid en scepsis rond of MB-pol de geldigheid van het twee-vloeistoffen scenario in diep ondergekoeld water grondig kon onderzoeken, leidde hen naar dit onderzoek.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

'Ondanks de nauwkeurigheid is MB-pol rekenkundig veeleisender dan empirische modellen. Om deze beperking te overwinnen, ontwikkelde Sigbjørn Bore, de derde auteur van dit artikel, een potentieel van een diep neuraal netwerk (DNN@MB-pol) getraind op MB-pol data,' zei prof. Paesani, waarbij hij de betrokkenheid van neurale netwerken in hun onderzoek uitlegde.

In tegenstelling tot eerdere watermodellen, is deze benadering afgeleid van eerst-principes kwantumchemie op het niveau van couplet-cluster, wat wordt beschouwd als de gulden standaard voor moleculaire interacties.

Met behulp van het DNN@MB-pol model voerden de onderzoekers microseconde-lange moleculaire dynamica simulaties uit.

'Deze zijn essentieel voor het bestuderen van water in diep onderkoelde toestanden omdat, naarmate de temperatuur daalt, de moleculaire diffusie dramatisch vertraagt. Deze vertraging maakt het steeds moeilijker voor het systeem om metastabiel evenwicht te bereiken, waardoor uitzonderlijk lange simulaties nodig zijn om de relevante dynamiek vast te leggen,' legde prof. Paesani uit.

De simulaties werden uitgevoerd op 280 verschillende toestandspunten over 20 temperaturen (188 tot 368 K of -85°C tot 95°C) en 14 drukken (0,1-131,7 MPa).

Alle simulaties werden uitgevoerd met een systeem van 256 watermoleculen onder periodieke randvoorwaarden.

De simulaties onthulden direct bewijs voor twee verschillende vloeibare toestanden met verschillende dichtheden en structuren.

Bij het bestuderen van water bij -85°C (188 K) observeerden de onderzoekers dramatische dichtheidsfluctuaties die optreden op microseconde-schaal, waarbij water spontaan schakelt tussen hoge-dichtheid en lage-dichtheid toestanden bij ongeveer 101.3 MPa.

Deze observaties bevestigden het bestaan van een faseovergang van eerste orde tussen twee vloeibare vormen van water, met vrije-energiebarrières die toenemen bij afkoeling, een duidelijk kenmerk van dergelijke overgangen.

Rekening houdend met de systematische afwijking van het model in vergelijking met experimentele waarden, schatte het team het werkelijke kritieke punt in water op ongeveer 198 K (-75°C) en 126.7 MPa.

Mogelijk nog belangrijker is dat het kritieke punt dat in dit onderzoek is geïdentificeerd, verschijnt bij een lagere druk dan veel eerdere voorspellingen, wat suggereert dat het experimenteel toegankelijk kan zijn.

De onderzoekers waren ook in staat om een uitgebreid fase-diagram op te stellen dat de vloeistof-vloeistof coëxistentiecurve laat zien.

"We hebben het volste vertrouwen in ons geschatte vloeistof-vloeistof kritieke punt, omdat het is ontwikkeld vanuit eerst-principes kwantumchemie op het niveau van gekoppelde clustertheorie—de gouden standaard voor elektronenstructuurberekeningen," zei Prof. Sciortino.

De resultaten leveren het sterkste computationele bewijs tot nu toe voor het bestaan van de LLPT in water, wat helpt bij het oplossen van een wetenschappelijke vraag die al meer dan 30 jaar bestaat.

Onderzoekers geloven dat water nanodruppeltjes—waterdruppeltjes nanometers breed die bestaan in afgesloten ruimtes of opgeschort zijn in een medium—experimenteel de LLPT-resultaten kunnen valideren.

"Voor nanodruppeltjes met slechts een paar nanometers in diameter, kan de interne druk waarden bereiken die vergelijkbaar zijn met de vloeistof-vloeistof kritieke druk (~1.250 atm). Dit suggereert dat zorgvuldig gecontroleerde nanodruppeltjes een experimentele weg kunnen bieden om de LLCP te onderzoeken," zei Prof. Paesani.

Prof. Sciortino voegde eraan toe: "Neutronen- en röntgenscatterings-experimenten kunnen worden gebruikt om structurele kenmerken van de twee vloeibare toestanden binnen deze afgesloten druppeltjes te detecteren."

"Specifiek kunnen scatterings-technieken dichtheidsfluctuaties en correlaties onthullen die kenmerkend zijn voor kritieke fenomenen. Bovendien kan tijdsopgeloste spectroscopie helpen bij het vastleggen van de interconversiedynamiek tussen de twee vloeibare fasen."

De ontdekking van LLPT heeft brede impact op meerdere wetenschappelijke gebieden.

Het begrijpen van het dual-state gedrag van water kan de klimaatmodellering en weersvoorspelling verbeteren, inzichten bieden in oceanen op verre manen en planeten, ons begrip verbeteren van cellulaire processen die worden aangestuurd door fasenseparatie, en technologieën voor energieopslag en waterbehandeling bevorderen.

Meer informatie: F. Sciortino et al, Beperkingen van de locatie van het kritieke punt van de vloeistof-vloeistof in water, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02761-0.

Journal informatie: Nature Physics

© 2025 Science X Network