Вода может существовать в двух формах — учёные впервые поймали переход между ними
Воду считают одним из лучше всего изученных веществ на Земле. Но у неё до сих пор есть свойства, которых физики не могут объяснить. Одна из самых смелых гипотез — что вода на самом деле существует в двух разных жидких формах, которые постоянно переходят друг в друга. Теперь с помощью искусственного интеллекта учёным впервые удалось поймать этот переход на молекулярном уровне. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Аномальная жидкость
Вода ведёт себя не так, как большинство других жидкостей. Обычные вещества при охлаждении сжимаются — вода же при 4°C достигает максимальной плотности, а дальнейшее охлаждение заставляет её расширяться. Именно поэтому лёд легче воды и плавает. Теплоёмкость, вязкость, теплопроводность — все эти характеристики воды аномально отклоняются от стандартного поведения.
Одно из объяснений, предложенных ещё в начале 1990-х, звучит неожиданно: возможно, существуют два разных жидких состояния воды — плотное и менее плотное, — и аномалии возникают именно из-за постоянного переключения между ними. В менее плотной форме молекулы выстроены в правильную тетраэдрическую сетку водородных связей; в плотной — сетка нарушена, молекулы упакованы плотнее.
До сих пор прямых молекулярных доказательств этого переключения в нормальной жидкой воде не существовало. Гипотеза оставалась предметом споров.
Роль искусственного интеллекта
Физико-химик Сяо Чэн Цзэн из Городского университета Гонконга и его команда взялись за эту проблему около двух с половиной лет назад. Для поиска переходов между двумя состояниями воды в молекулярной динамике нужно отслеживать поведение миллиардов молекул в миллиардах временных шагов — задача, непосильная для обычных аналитических методов.
Исследователи применили метод неконтролируемого глубокого обучения: нейросеть без заранее заданных критериев анализировала траектории отдельных молекул и искала закономерности, которые сам человек-исследователь заметить не смог бы. Алгоритм работал с детальной моделью воды TIP4P/Ice, признанной одной из наиболее точных на сегодняшний день.
Что обнаружил ИИ
Нейросеть выявила многомерные характеристики движения молекул, позволяющие различить два состояния — высокой плотности (HDL) и низкой плотности (LDL). Вблизи границы между этими состояниями молекулы переходили из одной формы в другую по сложной замкнутой петле с тремя точками перехода. Вдали от границы переход происходил проще — по одному пути.
Это первое молекулярное подтверждение двухсостоятельной модели воды, полученное из динамических симуляций с реалистичной моделью:
- Два состояния существуют при нормальных условиях, а не только при экстремальных давлениях и температурах
- Переключение между ними непрерывно — молекулы «перепрыгивают» из одного состояния в другое
- Граница между состояниями определяется соотношением температуры и давления
- ИИ обнаружил реакционные пути, которые аналитически были недоступны
Почему это важно
Понимание двух состояний воды имеет практическое значение далеко за пределами физики. Вода — растворитель, в котором протекают все биохимические реакции. Две разные структуры молекулярной сетки по-разному влияют на растворение белков, складывание молекул ДНК и работу мембран. Более того, аномальные свойства воды напрямую определяют климатические процессы: теплоёмкость океанов, образование льда, перенос тепла.
Читайте также по теме: необычных свойствах материалов.
Исследование также открывает путь к поиску аналогичной границы раздела в реальных экспериментах — возможно, с помощью рентгеновских лазеров сверхвысокого разрешения, которые уже применяются для изучения переохлаждённой воды. В марте 2026 года отдельная группа учёных с помощью рентгеновских лазеров существенно сузила диапазон возможных параметров критической точки, при которой оба состояния становятся неразличимы, — около минус 63°C и давления в 1000 атмосфер.
