ШІ з’ясував, що насправді приховує звичайна пляшка води: результати шокувального відкриття

Вчені здійснили масштабний прорив у фізиці та хімії, який може докорінно змінити наше розуміння звичайної води. За допомогою технологій штучного інтелекту дослідники нарешті знайшли беззаперечні молекулярні докази того, що вода насправді є сумішшю двох різних за щільністю рідин, які безперервно змінюють свій стан.

Про це пише Live Science.

Протягом десятиліть наукова спільнота підозрювала, що на мікроскопічному рівні вода поводиться абсолютно нетипово порівняно з іншими рідинами. Вона має низку аномалій: розширюється під час замерзання (саме тому лід плаває), має надзвичайно високий опір до температурних змін, а її в’язкість зменшується під дією певного тиску. Модель двох станів мала стати єдиним логічним поясненням цих явищ.

Співавтор дослідження, фізико-хімік із Міського університету Гонконгу Сяо Чен Цзен, зізнався, що ця загадка тривалий час залишалася нерозв’язаною через брак технічних можливостей.

«Важко уявити — перед нами всього одна пляшка води, правда? Це привернуло мою увагу. У нас була література, в якій про це йшлося, але не було жодних доказів», — поділився науковець.

Ситуація зрушила з мертвої точки, коли науковий співробітник лабораторії Лівень Лі запропонував радикально новий підхід — використання «неконтрольованого глибокого навчання». Це специфічний вид штучного інтелекту, який здатний самостійно шукати закономірності у величезних масивах інформації без попередніх вказівок людини.

Команда провела комп’ютерне моделювання молекулярної динаміки. Вони детально відстежували рух і взаємодію сотень тисяч молекул, що дало змогу згенерувати десятки мільйонів точок даних.

«Таким чином, ШІ змушений вчитися — використовувати свої знання для творчості, для досліджень. Традиційно для цього знадобилося б багато студентів. З комп’ютерами та ШІ Лі знадобилося, можливо, півтора року. Без штучного інтелекту аналогічний аналіз міг би забрати близько десяти років», — наголосив професор.

Отримані алгоритмом «координати реакції» чітко продемонстрували, як локальне розташування молекул води трансформується щільної структури до більш рихлої і навпаки. Дослідники виявили, що цей процес безпосередньо залежить від зовнішніх умов.

У більшості випадків зміна стану відбувається за найпростішим шляхом з одним енергетичним бар’єром. Проте поблизу температурної межі у 0 градусів Цельсія, де одночасно співіснують рідка вода та лід, молекули починають обирати складніший обхідний шлях, долаючи одразу три окремі бар’єри.

Професор Цзен порівняв це явище із підйомом на розрізану навпіл гору, де з одного боку є зручний пологий схил, а з іншого — стрімка скеля. Більшість молекул обирає простий схил, але на межі станів гора ніби знову стає цілісною, змушуючи робити повне коло навколо вершини.

Чому це відкриття важливе

Зараз науковці працюють над ще більш досконалою моделлю машинного навчання для детального аналізу в’язкості, щільності та температури рідини. Хоча попереду ще складний етап експериментального підтвердження за допомогою надчутливих спектроскопічних методів, потенціал відкриття є колосальним.

Оскільки майже всі ключові біологічні, хімічні та фармацевтичні процеси на планеті відбуваються у водному середовищі, розуміння її точної молекулярної структури дасть відповідь на питання, як саме ліки та білки взаємодіють у розчинах.

«Як тільки ми підтвердимо це експериментально, цю модель можна буде використовувати для розуміння того, як вода взаємодіє з природою. Ці взаємодії життєво важливі для ін’єкційних ліків та функціонування клітин», — підсумував Сяо Чен Цзен.