Kalifornian yliopiston San Diegossa oleva tiimi on käyttänyt innovatiivisia menetelmiä veden ominaisuuksien tutkimiseen. Heidän simulaationsa, jotka perustuvat koneoppimiseen ja kvanttimekaniikkaan, ovat mahdollistaneet mallintamisen kahden erillisen nestefaasin välillä. Tämä löytö, joka on julkaistu Nature Physics -lehdessä, voisi olla merkittävä.
Tutkijat ovat tunnistaneet kriittisen pisteen, jossa vesi jakautuu kahteen nestefaasin. Tämä ilmiö tapahtuu äärimmäisen matalissa lämpötiloissa ja korkeassa paineessa. Simulaatiot osoittavat, että vesi heilahtelee sitten korkean tiheyden ja matalan tiheyden faasien välillä.
Francesco Paesani ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet edistyneen molekyylimallin, MB-pol, näitä simulaatioita varten. Tämä malli ottaa huomioon kvantti-interaktiot molekyylien välillä, tarjoten vertaansa vailla olevaa tarkkuutta. Se on mahdollistanut veden käyttäytymisen ennustamisen, joka on ollut aiemmin vain teoreettista.
Supertietokoneet ovat näytelleet keskeistä roolia tässä tutkimuksessa. Laskennat, jotka kestäneet lähes kaksi vuotta, ovat vaatineet huomattavia tietokoneresursseja. Tämä lähestymistapa avaa tien uusille löydöille materiaalitieteessä.
Tämän löydön mahdolliset sovellukset ovat laajat. Niiden joukossa on synteettisten nesteiden luominen, jotka pystyvät vangitsemaan saasteita. Kuitenkin tämän ilmiön kokeellinen vahvistaminen on vielä tehtävä.
Tämä tutkimus merkitsee tärkeää vaihetta veden ymmärtämisessä. Se yhdistää teknologiset ja teoreettiset edistysaskeleet, havainnollistaen molekyylisimulaatioiden potentiaalia. Tieteellinen yhteisö odottaa nyt kokeellisia todisteita.
Mitä on nestefaasin siirtymä?
Nestefaasin siirtymä kuvaa ilmiötä, jossa neste jakautuu kahteen erilliseen faasiin ilman tilan muutosta. Toisin kuin kiinteä-neste- tai neste-kaasu-siirtymissä, tämä muutos on vähemmän intuitiivinen. Se sisältää tiheyden ja molekyylijärjestelyn eroja kahden faasin välillä.
Veden tapauksessa tämä siirtymä tapahtuu äärimmäisissä lämpötila- ja paineolosuhteissa. Veden molekyylit järjestäytyvät silloin eri tavalla, luoden kaksi nestettä, joilla on erilliset ominaisuudet. Tämä käyttäytyminen on harvinaista ja vaikeaa havaita.
Tietokonesimulaatiot ovat mahdollistaneet tämän ilmiön visualisoimisen. Ne näyttävät, kuinka veden molekyylit siirtyvät faasista toiseen. Tämä löytö rikastuttaa ymmärrystämme veden perusominaisuuksista.
Nestefaasin siirtymä voisi selittää joitakin veden aiemmin epänormaaleiksi luokiteltuja käyttäytymismalleja. Esimerkiksi sen maksimaalinen tiheys 4°C:ssä voisi liittyä tähän tyyppiseen ilmiöön. Tutkimukset jatkuvat näiden hypoteesien tutkimiseksi.