Forskare kartlägger undflyende vätska-flytande övergångspunkt med hjälp av djupa neurala nätverk.

22 februari 2025

Detta artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

faktagranskad

peer-reviewed publicering

pålitlig källa

korrekturläst

av Tejasri Gururaj, Phys.org

En ny studie i Nature Physics har belyst den länge hypotiserade flytande-flytande kritiska punkten där vatten samtidigt existerar i två olika flytande former, vilket öppnar nya möjligheter för experimentell validering.

Vatten är känt för sina anomala egenskaper - till skillnad från de flesta ämnen, är vatten tätast i sitt flytande tillstånd, inte fast. Detta leder till unika beteenden såsom is som flyter på vatten.

En av flera sådana ovanliga egenskaper har lett till årtionden av forskning för att förstå vattnets unika beteende, särskilt i det underkylda området.

Att studera den flytande-flytande fasövergången (LLPT), som hypotetiskt ska inträffa i det underkylda området, har mött utmaningar som forskarna velat ta itu med.

Phys.org pratade med co-författarna till studien, Prof. Francesco Sciortino från Sapienza University of Rome och Prof. Francesco Paesani från University of California San Diego, om deras arbete.

"Vatten är en unik vätska med egenskaper som forskare har försökt förstå i årtionden," förklarade Prof. Paesani.

'En långvarig hypotes antyder att under extrema förhållanden - specifikt vid mycket låga temperaturer och högt tryck - kan vatten existera i två distinkta flytande faser: en högdensitetsvätska och en lågdensitetsvätska,' fortsatte Prof. Sciortino.

'Punkten där dessa två faser blir omöjliga att skilja åt är känd som den flytande-flytande kritiska punkten. Dock har dess experimentella bekräftelse förblivit svåråtkomlig på grund av utmaningen att förhindra att vatten fryser innan dessa förhållanden uppnås.'

När rent vatten kyls ned till -38°C, förblir det i flytande form trots att det passerar sin fryspunkt vid 0°C. Detta kallas ett underkyldt tillstånd.

År 1992 föreslog forskare för första gången att vatten kan ha en flytande-flytande fasövergång (LLPT) under det underkylda värdet -38°C, där det existerar i två distinkta flytande tillstånd eller faser.

Prof. Sciortino arbetade med detta problem 1992 som postdoktor vid Boston University.

Svårigheten kommer från vad forskare kallar 'ingenmansland', en region i vattnets fasdiagram där flytande vatten typiskt kristalliseras omedelbart till is innan mätningar kan göras. Detta sker under det -38°C underkylda kritiska värdet.

Omöjligheten att genomföra mätningar i realtid har tvingat forskare att starkt förlita sig på datormodeller för att förutsäga vattnets beteende.

Tidigare studier har gett starkt varierande förutsägelser för platsen för den föreslagna flytande-flytande kritiska punkten (LLCP), med uppskattade kritiska tryck som sträcker sig från 36 till 270 MPa och kritiska temperaturer från -123°C till -23°C (eller 150 till 250 K).

Lösningen kom i form av en konversation mellan prof. Sciortino och prof. Paesani om en datadriven mångkroppspotential utvecklad av prof. Paesanis team, MB-pol.

En blandning av nyfikenhet och skepticism kring om MB-pol strikt kunde pröva validiteten av scenariot med två vätskor i djupt underkyldt vatten ledde dem till att bedriva denna forskning.

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Anmäl dig till vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - dagligen eller veckovis.

'Trots sin noggrannhet är MB-pol beräkningsmässigt mer krävande än empiriska modeller. För att överkomma den här begränsningen utvecklade Sigbjørn Bore, den tredje författaren till denna artikel, en djup neural nätverkspotential (DNN@MB-pol) tränad på MB-pol data,' sa prof. Paesani och förklarade användningen av neurala nätverk i deras forskning.

Till skillnad från tidigare vattenmodeller härstammar denna metod från första principers kvantkemi på kopplad-klusternivå, vilket anses vara standarden när det gäller molekylinteraktioner.

Genom att använda DNN@MB-pol modellen utförde forskarna mikrosekunder långa molekylär dynamiksimuleringar.

'Dessa är avgörande för att studera vatten i djupt underkylda tillstånd eftersom, när temperaturen sjunker, hämmas molekylärdiffusion dramatiskt. Denna nedgång gör det allt svårare för systemet att nå metastabil jämvikt och kräver exceptionellt långa simuleringar för att fånga de relevanta dynamiska processerna,' förklarade prof. Paesani.

Simuleringarna utfördes vid 280 olika tillstånd över 20 temperaturer (188 till 368 K eller -85°C till 95°C) och 14 tryck (0,1–131,7 MPa).

Alla simuleringar utfördes med ett system av 256 vattenmolekyler under periodiska randvillkor. Simuleringarna avslöjade direkt bevis för två olika flytande tillstånd med olika densiteter och strukturer. När man studerade vatten vid -85°C (188 K) observerade forskarna dramatiska densitetsfluktuationer som inträffade på mikrosekundskalor, där vattnet spontant växlade mellan hög- och lågdensitetsstater vid cirka 101,3 MPa. Dessa observationer bekräftade existensen av en första ordningens fasövergång mellan två flytande former av vatten, med fri energibarriärer som ökar vid nedkylning, en tydlig signatur av sådana övergångar. Genom att ta hänsyn till modellens systematiska avvikelse jämfört med experimentella värden, uppskattade teamet den faktiska kritiska punkten i vatten till cirka 198 K (-75°C) och 126,7 MPa. Kritiskt har den kritiska punkt som identifierades i denna forskning en lägre trycknivå än många tidigare förutsägelser, vilket antyder att den kan vara experimentellt åtkomlig. Forskarna kunde också konstruera en omfattande fasdiagram som visar vätske-vätske kooexistanskurvan. "Vi är mycket säkra på vår uppskattade vätske-vätske kritiska punkt eftersom den är utvecklad från första principer kvantmekanik på kopplad-kluster nivån av teori - guldstandarden för elektronstrukturberäkningar", sa prof. Sciortino. Resultaten ger den starkaste beräkningsbevisen hittills för existensen av LLPT i vatten, vilket bidrar till att lösa en vetenskaplig fråga som har kvarstått i över 30 år. Forskare tror att vattendropar - vattendroppar nanometerbreda som existerar i trånga utrymmen eller svävar i ett medium - skulle kunna experimentellt bekräfta LLPT-resultaten. "För nanodroppar bara några nanometer i diameter kan det interna trycket nå värden jämförbara med det flytande-flytande kritiska trycket (~1 250 atm). Detta antyder att noggrant kontrollerade nanodroppar skulle kunna ge en experimentell väg för att undersöka LLCP," sa prof. Paesani. Prof. Sciortino tillade, "Neutron- och röntgenspridningsexperiment skulle kunna användas för att upptäcka strukturella signaturer av de två flytande tillstånden inom dessa begränsade droppar." "Specifikt skulle spridningstekniker kunna avslöja densitetsfluktuationer och korrelationer som är karakteristiska för kritiska fenomen. Dessutom skulle tidslöst spektroskopi kunna hjälpa till att fånga interkonversionsdynamiken mellan de två flytande faserna." Upptäckten av LLPT har breda konsekvenser inom flera vetenskapliga områden. Förståelse för vattnets dubbla beteende kan förbättra klimatmodellering och väderprognoser, ge insikter i hav på avlägsna månar och planeter, fördjupa vår förståelse av cellulära processer drivna av fasskiljning och främja teknologier inom energilagring och vattenbehandling. Fler uppgifter: 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. Tidskriftsinformation: Nature Physics. © 2025 Science X Network.