Физики подтвердили гипотезу о «двойной природе» воды: что это меняет для науки

Вода — самое привычное вещество на Земле — снова оказалась куда более загадочной, чем считалось десятилетиями. Международная группа исследователей представила работу, которая фактически подтверждает спорную гипотезу: в жидком состоянии вода может существовать сразу в двух структурных формах — более плотной и менее плотной, которые постоянно переходят друг в друга.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, стало одним из самых заметных вкладов в многолетний спор о микроскопической природе воды.

Вода, которая «двойственная» внутри себя

Идея о том, что жидкая вода не является однородной средой, существует уже около 30 лет. Согласно этой гипотезе, молекулы H₂O могут формировать два конкурирующих типа локальной структуры:

более плотную конфигурацию, где молекулы упакованы компактнее
менее плотную, более «рыхлую» структуру с увеличенными промежутками
Новое исследование показывает: это не просто теоретическая модель, а реально наблюдаемый на молекулярном уровне процесс.

Авторы работы — физикохимики Xiao Cheng Zeng и Liwen Li из City University of Hong Kong — показали, что молекулы воды непрерывно переходят между этими двумя состояниями, образуя динамическую систему, а не статичную жидкость.

Как нейросеть «увидела» то, что скрыто от человека

Ключ к открытию — методы машинного обучения. Исследователи провели масштабное компьютерное моделирование поведения сотен тысяч молекул воды.

Получился гигантский массив данных, который невозможно было бы проанализировать вручную: по оценкам авторов, традиционные методы потребовали бы около десяти лет работы. Вместо этого ученые применили алгоритмы обучения без учителя — тип искусственного интеллекта, который самостоятельно выявляет скрытые закономерности без заранее заданных правил.

В результате система за относительно короткое время выделила ключевые параметры, определяющие поведение молекул, и позволила реконструировать «маршруты» перехода между двумя состояниями воды.

Энергетические барьеры и «маршруты» молекул

Один из главных результатов работы — описание того, как именно происходит переход между двумя структурными состояниями.

В обычных условиях молекулы преодолевают один энергетический барьер — своеобразный «порог», необходимый для перестройки структуры жидкости.

Однако при экстремальных условиях, например около точки замерзания, процесс становится сложнее. Молекулы начинают двигаться по многоступенчатому пути, преодолевая сразу три энергетических барьера. Это напоминает не прямой переход, а обходной маршрут с несколькими «перекрёстками».

Такое поведение может быть ключом к пониманию аномальных свойств воды.

Почему вода нарушает привычные законы физики

Вода давно известна своими «странностями», которые отличают её от большинства других жидкостей:

• она расширяется при замерзании
• её плотность максимальна не при 0 °C, а при +4 °C
• вязкость и текучесть ведут себя нелинейно при изменении давления
• структура льда менее плотная, чем жидкой воды

До сих пор эти эффекты объяснялись разрозненно. Новая модель предполагает, что все они могут быть следствием конкуренции двух жидких фаз внутри самой воды.

От молекул к биологии и медицине

Авторы исследования подчёркивают: значение открытия выходит далеко за пределы физики воды.

Почти все биологические процессы на Земле происходят в водной среде. Белки, ДНК, лекарственные молекулы — всё это взаимодействует в растворах, где свойства воды играют ключевую роль.

Если удастся точно описать, как структурные состояния воды влияют на её макроскопические характеристики — плотность, вязкость, теплопроводность — это может привести к:

• более точному моделированию биохимических реакций
• улучшению разработки инъекционных препаратов
• пониманию механизмов сворачивания белков
• созданию новых материалов с заданными свойствами растворителей

Следующий шаг: от симуляции к реальности

Сейчас исследователи планируют расширить модель и связать микроскопические переходы воды с её измеримыми свойствами — температурой, плотностью и вязкостью.

Главный вопрос остаётся открытым: можно ли экспериментально зафиксировать две «жидкие формы» воды напрямую, или речь идёт о чрезвычайно быстром и постоянно флуктуирующем процессе, который невозможно «заморозить» в наблюдении.

Что это значит для науки

Если гипотеза окончательно подтвердится, это может стать одним из фундаментальных пересмотров представлений о воде за последние десятилетия. В таком случае привычная «одна жидкость» окажется не такой уж простой: внутри неё будет скрыта динамическая конкуренция двух структурных миров.

И именно эта внутренняя борьба, возможно, и делает воду тем самым уникальным веществом, без которого невозможна жизнь.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что вода может существовать в двух формах — учёные впервые поймали переход между ними