Naukowcy mapują nieuchwytny punkt przejścia ciecz-ciecz za pomocą głębokiej sieci neuronowej

22 lutego 2025 roku funkcja

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślają następujące cechy, jednocześnie zapewniając wiarygodność treści:

zweryfikowane fakty

publikacja z recenzją

zaufane źródło

skorygowane

autorstwa Tejasri Gururaj, Phys.org

Nowe badanie Nature Physics rzuca światło na długo hipotetyzowany punkt krytyczny ciecz-ciecz, w którym woda istnieje jednocześnie w dwóch różnych formach ciekłych, otwierając nowe możliwości walidacji eksperymentalnej.

Wiadomo, że woda jest znana ze swoich anomalnych właściwości - w przeciwieństwie do większości substancji, woda w swoim stanie ciekłym jest najgęstsza, a nie w stanie stałym. Powoduje to unikalne zachowania, takie jak unoszenie się lodu na wodzie.

Jedna z kilku takich niezwykłych cech skłoniła badaczy do kilkudziesięcioletnich badań w celu zrozumienia unikalnego zachowania wody, szczególnie w reżimie nadchłodzonym.

Jednak badanie przejścia fazowego ciecz-ciecz (LLPT), które jest hipotetyzowane do występowania w reżimie nadchłodzonym, stanęło przed wyzwaniami, które badacze chcieli rozwiązać.

Portal Phys.org rozmawiał z współautorami badania, profesorem Francesco Sciortino z Uniwersytetu Rzymskiego Sapienza i profesorem Francesco Paesani z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, na temat ich pracy.

"Woda jest unikalną cieczą o właściwościach, których naukowcy próbowali zrozumieć od dziesięcioleci" - wyjaśnił profesor Paesani.

"Jedna z istniejących od dawna hipotez sugeruje, że w ekstremalnych warunkach - szczególnie przy bardzo niskich temperaturach i wysokich ciśnieniach - woda może istnieć w dwóch różnych fazach ciekłych: cieczy o dużej gęstości i cieczy o małej gęstości."

Profesor Sciortino dodał: "Punkt, w którym te dwie fazy stają się nie do odróżnienia, nazywa się punktem krytycznym ciecz-ciecz. Jednakże, jego eksperymentalne potwierdzenie pozostało nieuchwytne z powodu trudności w zapobieganiu zamarzaniu wody przed osiągnięciem tych warunków."

Gdy czysta woda jest schładzana do -38°C, pozostaje w stanie ciekłym pomimo przekroczenia punktu zamarzania przy 0°C. Nazywa się to stanem nadchłodzonym.

W 1992 roku badacze po raz pierwszy zaproponowali, że woda może mieć przejście fazowe ciecz-ciecz (LLPT) poniżej krytycznego punktu nadchłodzonego -38°C, gdzie istnieje w dwóch różnych stanach lub fazach ciekłych.

Prof. Sciortino pracował nad tym problemem w 1992 roku jako student doktorancki na Uniwersytecie w Bostonie.

Trudność wynika z tego, co badacze nazywają "ziemią niczyją", obszarem na diagramie fazowym wody, gdzie woda ciekła zwykle krystalizuje się natychmiastowo w lód przed dokonaniem pomiarów. Ma to miejsce poniżej krytycznego punktu nadchłodzonego -38°C.

Brak możliwości przeprowadzenia pomiarów w czasie rzeczywistym zmusił badaczy do silnego polegania na symulacjach komputerowych w celu przewidzenia zachowania wody.

Poprzednie badania dostarczały bardzo zróżnicowanych przewidywań dotyczących lokalizacji proponowanego krytycznego punktu ciecz-ciecz (LLCP), z oszacowanymi ciśnieniami krytycznymi w przedziale od 36 do 270 MPa i temperaturami krytycznymi od -123°C do -23°C (lub od 150 do 250 K).

Rozwiązanie pojawiło się w postaci rozmowy między profesorem Sciortino a profesorem Paesanim na temat wielociałowego potencjału opracowanego przez zespół profesora Paesaniego, MB-pol.

Mieszanka ciekawości i sceptycyzmu co do tego, czy MB-pol może rzetelnie zbadać prawdziwość scenariusza dwóch cieczy w głęboko nadchłodzonej wodzie, skłoniły ich do podjęcia tych badań.

Odkryj najnowsze osiągnięcia nauki, techniki i przestrzeni z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org codziennie Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj aktualizacje o przełomach, innowacjach i badaniach, które mają znaczenie - codziennie lub co tydzień.

"Mimo swojej dokładności, MB-pol wymaga więcej obliczeń niż modele empiryczne. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, Sigbjørn Bore, trzeci autor tego artykułu, opracował potencjał sieci neuronowej (DNN@MB-pol) wytrenowany na danych MB-pol" - powiedział prof. Paesani, wyjaśniając zaangażowanie sieci neuronowych w ich badania.

W przeciwieństwie do poprzednich modeli wody, ten podejście wyprowadzono od pierwszych zasad chemii kwantowej na poziomie sprzężonej klastry, które uważa się za złoty standard dla interakcji molekularnych.

Korzystając z modelu DNN@MB-pol, badacze przeprowadzili mikrosekundowe symulacje dynamiki molekularnej.

"Są one kluczowe dla badania wody w głęboko nadchłodzonych stanach, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się temperatury dyfuzja cząsteczek dramatycznie spowalnia. To zwolnienie sprawia, że systemowi coraz trudniej osiągnąć stabilną równowagę, wymagając wyjątkowo długich symulacji, aby uchwycić istotną dynamikę" - wyjaśnił prof. Paesani.

Symulacje przeprowadzono na 280 różnych punktach stanu, obejmując 20 temperatur (od 188 do 368 K lub od -85°C do 95°C) i 14 ciśnień (0,1–131,7 MPa).

Wszystkie symulacje przeprowadzono na układzie 256 cząsteczek wody w warunkach brzegowych okresowych.

Simulacje ujawniły bezpośrednie dowody na istnienie dwóch różnych stanów ciekłych o różnych gęstościach i strukturach.

Podczas badania wody w temperaturze -85°C (188 K), badacze zaobserwowali dramatyczne fluktuacje gęstości zachodzące na skalach czasowych mikrosekund, gdzie woda spontanicznie przeskakiwała między stanami o wysokiej i niskiej gęstości przy około 101.3 MPa.

Te obserwacje potwierdziły istnienie przejścia fazowego pierwszego rzędu między dwoma formami ciekłymi wody, z barierami swobodnej energii rosnącymi wraz z obniżaniem temperatury, co stanowi wyraźne sygnatury takich przejść.

Mając na uwadze systematyczne odstępstwo modelu od wartości eksperymentalnych, zespół oszacował rzeczywisty punkt krytyczny wody na około 198 K (-75°C) i 126.7 MPa.

Być może najistotniejsze jest to, że punkt krytyczny zidentyfikowany w tej pracy pojawia się przy niższym ciśnieniu niż wiele wcześniejszych przewidywań, sugerując, że może być on eksperymentalnie dostępny.

Badacze zdołali również skonstruować kompleksowy diagram fazowy przedstawiający krzywą współistnienia cieczy-ciecz.

"Jesteśmy wysoce pewni naszego oszacowanego punktu krytycznego ciecz-ciecz, ponieważ opiera się on na pierwszo zasadach chemii kwantowej na poziomie sprzężonych klastrów teorii - złotego standardu obliczeń struktury elektronowej" - powiedział prof. Sciortino.

Wyniki dostarczają dotąd najmocniejszych dowodów obliczeniowych na istnienie LLPT w wodzie, pomagając rozwikłać zagadkę naukową, która trwała ponad 30 lat.

Badacze są zdania, że nanokrople wodne - krople wodne o szerokości kilku nanometrów istniejące w przestrzeniach zamkniętych lub zawieszone w ośrodku - mogą eksperymentalnie potwierdzić wyniki LLPT.

"Dla nanokropel o średnicy kilku nanometrów, ciśnienie wewnętrzne mogłoby osiągnąć wartości porównywalne do krytycznego ciśnienia ciecz-ciecz (~1,250 atm). Sugeruje to, że starannie kontrolowane nanokrople mogą zapewnić eksperymentalną ścieżkę do badania LLCP" - powiedział prof. Paesani.

Prof. Sciortino dodał: "Eksperymenty rozpraszania neutronów i rentgenowskie mogłyby zostać wykorzystane do wykrycia strukturalnych sygnatur dwóch stanów ciekłych w tych ograniczonych kroplach."

"Konkretnie, techniki rozpraszania mogłyby ujawnić fluktuacje gęstości i korelacje charakterystyczne dla zjawisk krytycznych. Ponadto, spektroskopia rozdzielcza czasowo mogłaby pomóc uchwycić dynamikę konwersji między dwoma fazami ciekłymi."

Odkrycie LLPT ma szeroki wpływ na wiele dziedzin nauki.

Rozumienie podwójnego zachowania się wody może poprawić modelowanie klimatyczne i prognozowanie pogody, dostarczyć wglądy w oceany na odległych księżycach i planetach, wzmacniać nasze zrozumienie procesów komórkowych odbywających się na skutek separacji faz, oraz rozwijać technologie w zakresie magazynowania energii i oczyszczania wody.

Więcej informacji: 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.

Informacje o czasopiśmie: Nature Physics

© 2025 Science X Network