Новое исследование подтверждает спорную теорию о том, что вода на самом деле может принимать две разные химические формы. (Фото: Ярослав Кушта, Getty Images)
На протяжении десятилетий ученые подозревали, что вода тайно ведет себя как две разные жидкости. Новое исследование, проведенное с помощью искусственного интеллекта, наконец-то выявило, что это происходит на молекулярном уровне.
На протяжении десятилетий ученые предполагали, что вода на самом деле состоит из двух разных жидкостей. Новое исследование с использованием искусственного интеллекта наконец подтвердило это на молекулярном уровне.
автор: Лариса Г. Капелла
На протяжении многих лет ученые предполагали, что на молекулярном уровне вода представляет собой две разные жидкости — более плотную и менее плотную — которые постоянно меняются местами. Обнаружить реальные молекулярные доказательства этой микроскопической трансформации было непросто. Но теперь, с помощью искусственного интеллекта, исследователи утверждают, что им это удалось.
«Это трудно представить — ведь здесь всего одна бутылка с водой, верно?» — сказал Сяо Чэн Цзэн — физикохимик из Городского университета Гонконга и соавтор нового исследования, в интервью Live Science, держа в руках бутылку с водой. Эта загадка заставила его обратиться к научной литературе, где он нашел возможное объяснение — гипотезу о двух состояниях. «Это привлекло мое внимание. Об этом пишут в научной литературе, но нет никаких доказательств».
Результаты исследования, опубликованные 4 июня в журнале Nature Physics, могут не только доказать, что это долгожданное молекулярное изменение действительно происходит, но и помочь объяснить десятки странных свойств воды.
Большинство жидкостей при охлаждении становятся плотнее, но вода ведет себя иначе: она становится плотнее примерно до 4 градусов по Цельсию, а затем начинает расширяться, поэтому лед плавает на поверхности воды. Вода также лучше переносит перепады температур, чем другие жидкости, и ее вязкость снижается при определенном давлении. Ученые зафиксировали различные аномалии, связанные с водой, и предполагают, что они могут быть взаимосвязаны.
Модель двух состояний — это попытка дать такое объединяющее объяснение.
30-летняя догадка
Цзэн изучал воду еще в конце 1990-х, когда работал над проблемой замерзания жидкости. Сама гипотеза о двух состояниях воды привлекла его внимание позже — примерно в 2006 году, когда он впервые услышал о ней на научных конференциях. Но в течение многих лет он не брался за эту тему, считая ее слишком сложной. Ситуация изменилась примерно в 2016 году, когда исследователи начали публиковать экспериментальные данные о том, что переохлажденная вода может разделяться на отдельные формы с высокой и низкой плотностью.
Примерно два с половиной года назад Цзэн передал эту задачу Ливен Ли — постдокторанту своей лаборатории. Вместо того чтобы повторять традиционные подходы, с которыми уже столкнулись другие группы, Ли предложил использовать «глубокое обучение без учителя» — ИИ, обученный выявлять закономерности в данных без указания того, что именно искать. «Таким образом, ИИ [вынужден] учиться — использовать [свои] знания для создания, для исследования», — сказал Цзэн в интервью Live Science.
Команда провела масштабное моделирование методом молекулярной динамики с использованием пакета моделирования GROMACS. Они отслеживали движение и взаимодействие сотен тысяч молекул воды и получили десятки миллионов точек данных.
«Традиционно для этого может потребоваться много студентов. … С помощью компьютеров и искусственного интеллекта [Ли] справился за полтора года», — сказал Цзэн. По его оценкам, без ИИ на тот же анализ ушло бы около десяти лет.
(Изображение предоставлено Vertigo3d через Getty Images)
ИИ выдал «координаты реакции» — небольшое количество переменных, выведенных из всего этого молекулярного движения, которые точно описывают, как локальное расположение молекул воды меняется от более плотной структуры к более рыхлой и обратно. Они построили график поведения системы в этих координатах, чтобы увидеть форму преобразования. Это позволило определить количество и расположение энергетических барьеров, или седловых точек, которые должны преодолеть молекулы, чтобы совершить переход.
Два пути в гору
Команда обнаружила, что путь, по которому две структуры преобразуются друг в друга, меняется в зависимости от определенных условий. В большинстве случаев переход происходит по так называемому «полукольцевому» пути с одним энергетическим барьером. Но вблизи границы между водой высокой и низкой плотности — того самого порога, где при температуре 0 °C (32 °F) сосуществуют лед и жидкая вода, — молекулы могут двигаться по более извилистому «кольцевому» пути, преодолевая три отдельных барьера вместо одного.
Цзэн сравнил это с восхождением на гору, разрезанную пополам: с одной стороны пологий склон, с другой — отвесная скала. Большинство туристов идут по склону — это полупетля. Но там, где две половины горы сходятся, она как будто снова становится целой, и туристы могут обойти ее целиком. Это полная петля.
Цзэн и его команда сейчас разрабатывают более строгую модель машинного обучения для подтверждения результата. Они надеются, что в конечном итоге смогут связать ее с такими свойствами, как плотность, вязкость и температура.
Подтвердить наличие структуры в реальной воде будет непросто. По словам Цзэна, скорее всего, потребуются новые чувствительные экспериментальные методы, подобные тем, что разрабатываются в таких лабораториях, как Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, которая ранее нашла косвенные спектроскопические доказательства того, что вода может находиться в двух состояниях.
«Как только мы это… подтвердим экспериментально, — сказал он, — эту модель можно будет использовать для [понимания] того, как вода взаимодействует с окружающей средой».
Поскольку большинство биологических и фармацевтических процессов происходит в воде, более глубокое понимание молекулярной структуры воды может пролить свет на то, как взаимодействуют в растворе растворенные соли, белки и молекулы лекарств. «Эти взаимодействия жизненно важны для инъекционных препаратов и функционирования клеток», — отметил он, но до практического применения этих знаний еще далеко.
Источники статьи
Ли Л., Чжун Дж., Чжан Дж., Ван З. и Цзэн С. Ц. (2026). Доказательства существования двух локальных структур в жидкой воде. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-026-03301-8