جنبه پنهان آب فاش شد – آب می‌تواند به طور همزمان در دو حالت مایع وجود داشته باشد.
دانشمندان کشف کرده‌اند که آب، تحت فشار شدید و دماهای پایین، می‌تواند به دو فاز مایع مختلف تقسیم شود. این فرضیه دهه‌ها پیش مطرح شد اما هیچ‌گاه اثبات نشده بود تا اینکه حالا به حقیقت پیوسته است.
شبیه‌سازی‌های مولکولی پیشرفته که از هوش مصنوعی و مکانیک کوانتومی بهره می‌برند، این امکان را فراهم کرده‌اند که رفتار گریزپای آب مدل‌سازی شود و احتمالاً در آینده در علم مواد و فناوری محیط‌زیست کاربردهایی پیدا کند.
طبیعت منحصر به فرد آب
آب یک ماده واقعاً منحصر به فرد است. آن یکی از معدود موادی است که می‌تواند به طور طبیعی در حالت‌های جامد، مایع و گاز به طور همزمان تحت شرایط عادی وجود داشته باشد. به عنوان مثال، یخ را در یک دریاچه در نظر بگیرید که روی آب شناور است، آب مایع زیر آن قرار دارد و بخار آب در حال تشکیل ابرها در بالای آن است. همچنین آب به دلیل اینکه شکل جامد آن (یخ) از شکل مایع آن کمتر متراکم است، غیرمعمول است و به همین دلیل روی آب شناور می‌ماند.
اکنون محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو ویژگی شگفت‌انگیز دیگری از آب را کشف کرده‌اند. تحت فشار شدید و دماهای پایین، آب مایع می‌تواند به دو فاز مایع متفاوت تقسیم شود که یکی از دیگری متراکم‌تر است. این کشف که در مجله نیچر فیزیک منتشر شده است، دیدگاه‌های جدیدی در مورد رفتار پیچیده آب ارائه می‌دهد.
مدل‌سازی مولکولی: رویکردی جدید
فرانچسکو پائزانی، استاد شیمی و بیوشیمی در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، رهبری تیمی را بر عهده دارد که شیمی، فیزیک و علوم کامپیوتر را برای توسعه مدل‌های پیشرفته رفتار مولکولی ترکیب میکند. با استفاده از یادگیری ماشین و الگوریتم‌های محاسباتی، گروه او شبیه‌سازی‌هایی بسیار واقعی ایجاد میکند که به دقت با مشاهدات تجربی تطابق دارند.
پائزانی گفت: “مدل آب ما آنقدر واقعی است که تقریباً می‌توان آن را نوشید.”
نقطه بحرانی آب فاش شد
بیشتر مایعات همگن هستند — همه چیز با هم جریان دارد و نمی‌توان مولکول‌های مایع را از یکدیگر تشخیص داد. این موضوع در مورد آب نیز اغلب صادق است. با این حال، در سال 1992 محققان فرض کردند که در دما و فشار خاصی، آب مایع به نقطه بحرانی می‌رسد که در آن دیگر همگن نخواهد بود.
تیم پائزانی شبیه‌سازی‌هایی انجام داد که نقطه بحرانی را نشان داد؛ جایی که دما به اندازه کافی پایین (198 کلوین یا -103 فارنهایت) و فشار به اندازه کافی بالا (1,250 اتمسفر) است تا آب به طور خود به خود به دو مایع با چگالی بالا و چگالی پایین جدا شود.
در این نقطه بحرانی، آب نوسانات شدیدی بین فازهای با چگالی بالا و پایین نشان می‌دهد. در زیر این فشار، آب به فاز با چگالی پایین خود بازمی‌گردد؛ و بالاتر از آن، کاملاً به فاز با چگالی بالا تغییر میکند. این یک پدیده غیرمنتظره است که در سطح مولکولی در حال وقوع است.
پیشرفت مدل‌های محاسباتی
شبیه‌سازی سال 1992 ابتدایی بود. از آن زمان، محققان تلاش کرده‌اند تا این جداسازی خود به خودی را به صورت تجربی ایجاد کنند، اما بدون موفقیت. در سه دهه گذشته، پیشرفت‌ها در مدل‌سازی محاسباتی شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر و جزئی‌تری را ممکن کرده است — به‌ویژه ظهور پتانسیل‌های داده‌محور برای سیستم‌های چندبادی، که تیم پائزانی در آن تخصص دارد.
مدل داده‌محور سیستم‌های چندبادی آب (MB-pol) که توسط گروه پائزانی توسعه یافته است، بر اساس محاسبات مکانیک کوانتومی سطح بالا آموزش داده شده است (داده‌محور) و به جای محاسبه انرژی کل سیستم به طور یکجا، انرژی را از نظر مشارکت‌های فردی (چندبادی) تجزیه میکند. این انرژی‌های مرجع وارد مدل یادگیری ماشین می‌شوند که سپس قادر به ارائه شبیه‌سازی‌های واقع‌گرایانه از آب در سراسر نمودار فازی است.
درک آب در سطح کوانتومی
پائزانی مدل MB-pol را به این صورت توضیح می‌دهد: یک فرد تنها در یک اتاق به یک روش خاص رفتار میکند. اگر فرد دیگری وارد اتاق شود، رفتار فرد اول برای هماهنگی با فرد دوم تغییر میکند. اگر فرد سومی وارد شود، دینامیک دو فرد اول تغییر میکند. این روند ادامه می‌یابد تا جایی که افراد زیادی در اتاق باشند و افزودن یک نفر دیگر تأثیر قابل توجهی بر رفتار هیچ‌کدام از افراد نگذارد.
این همان چیزی است که MB-pol انجام می‌دهد. در فواصل کوتاه، اثرات مکانیک کوانتومی مستقیماً رفتار مولکول‌های آب را تغییر می‌دهند، همان‌طور که یک نفر بر رفتار دیگری تأثیر می‌گذارد. اما در یک نقطه خاص، اثرات میانگین می‌شوند و بر کل سیستم تأثیر می‌گذارند، همان‌طور که افزودن یک نفر دیگر به یک اتاق پر جمعیت بر رفتار هیچ‌کدام از افراد تأثیر چندانی نمی‌گذارد.
سوپرکامپیوترها و آینده تحقیقات
پائزانی گفت: “شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی می‌توانند بسیار پرهزینه باشند. ممکن است شما بتوانید انرژی‌های پنج یا شش مولکول آب را محاسبه کنید. روش ما با استفاده از MB-pol و یادگیری ماشین، این امکان را به ما می‌دهد که شبیه‌سازی‌هایی برای چند میکروثانیه انجام دهیم.” “این چیزی است که دانشمندان مولکولی محاسباتی مدت‌هاست آرزوی آن را دارند.”
با این حال، این کشف به راحتی حاصل نشده است. انجام شبیه‌سازی‌ها برای این تحقیق تقریباً دو سال زمان برد و از برخی از قدرتمندترین سوپرکامپیوترهای جهان، از جمله سیستم Expanse در مرکز سوپرکامپیوتر سن دیگو، که یکی از ارکان مدرسه جدید علوم رایانه، اطلاعات و داده‌های UC San Diego است، استفاده شد.
مایعات مصنوعی و امکانات آینده
در آینده، با پیشرفت فناوری، پائزانی امیدوار است که این تحقیق بتواند برای طراحی مایعات مصنوعی که انتقال مشابهی از مایع-مایع مانند آب را انجام دهند، اما در شرایط عادی، مورد استفاده قرار گیرد. مایعات متخلخل که می‌توانند از چگالی پایین به چگالی بالا تغییر کنند، مشابه اسفنج‌ها رفتار خواهند کرد و ممکن است برای جذب آلاینده‌ها یا کمک به شیرین‌سازی آب مورد استفاده قرار گیرند.
پائزانی گفت: “شبیه‌سازی تقریباً دو سال طول کشید، بنابراین این یک دستاورد بسیار هیجان‌انگیز است.” “من فکر می‌کنم برآورد ما بسیار واقع‌بینانه است. حالا نوبت محققان تجربی است که ببینند پیش‌بینی‌های ما درست است یا خیر.”
چالش اثبات تجربی
در حال حاضر، بازسازی این شرایط در آزمایشگاه همچنان یک چالش است. با این حال، فناوری قطره‌چکانی نانو می‌تواند راهی به جلو باشد که با ایجاد قطرات کوچک آب که فشار داخلی بالایی را از طریق تنش سطحی تولید می‌کنند، ممکن است منجر به تأیید تجربی این پدیده شود.
در حال حاضر، این کشف دقیق‌ترین پیش‌بینی را از پدیده‌ای که دانشمندان مدت‌ها مشکوک به آن بودند، اما هرگز مستقیماً مشاهده نکرده‌اند، ارائه می‌دهد. و هنگامی که آن روز فرا برسد، ممکن است نحوه تفکر ما در مورد آب را برای همیشه تغییر دهد.
نظرات کاربران