Secondo gli scienziati, l'acqua potrebbe essere in realtà una miscela di due liquidi diversi. / Water might secretly be a mix of 2 different liquids, scientists say

Secondo gli scienziati, l'acqua potrebbe essere in realtà una miscela di due liquidi diversi. / Water might secretly be a mix of 2 different liquids, scientists say

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Per decenni, gli scienziati hanno sospettato che l'acqua si comportasse segretamente come due liquidi diversi. Un nuovo studio basato sull'intelligenza artificiale ha finalmente scoperto che questo fenomeno si verifica a livello molecolare.

Per anni, gli scienziati hanno sospettato che, a livello molecolare, l'acqua sia composta da due liquidi diversi – uno più denso ed uno meno denso – che si scambiano continuamente di posto. Trovare prove molecolari concrete di questa trasformazione microscopica si è rivelato difficile. Ma ora, grazie all'aiuto dell'intelligenza artificiale, i ricercatori affermano di averle finalmente trovate.

"È difficile da immaginare: qui c'è solo una molecola d'acqua, giusto?" ha detto Xiao Cheng Zeng, chimico fisico presso la City University di Hong Kong e coautore del nuovo studio, a Live Science, mentre teneva in mano una bottiglia d'acqua. Questo enigma lo ha spinto ad esaminare la letteratura scientifica, dove ha trovato la possibile spiegazione: l'ipotesi dei due stati. "Questo ha catturato la mia attenzione. Abbiamo letteratura che ne parla, ma nessuna prova."

I risultati, pubblicati il ​​4 giugno sulla rivista Nature Physics, potrebbero non solo dimostrare che questo cambiamento molecolare a lungo cercato è reale, ma anche contribuire a spiegare decine di strani comportamenti dell'acqua.

La maggior parte dei liquidi diventa più densa quando si raffredda, ma l'acqua si comporta diversamente: diventa più densa fino a circa 4 gradi Celsius, poi inizia ad espandersi, ed è per questo che il ghiaccio galleggia. L'acqua resiste inoltre meglio alle variazioni di temperatura rispetto ad altri liquidi simili e ha una viscosità che diminuisce a determinate pressioni. Gli scienziati hanno documentato diverse anomalie legate all'acqua e sospettano che possano essere interconnesse.

Il modello a due stati è un tentativo di fornire quella spiegazione unificante.

Un presentimento che dura da 30 anni

Zeng studia l'acqua sin dai tempi del suo post-dottorato alla fine degli anni '90, quando lavorava sul congelamento dei liquidi. L'ipotesi dei due stati è entrata nel suo campo di interesse più tardi, intorno al 2006, quando l'ha incontrata per la prima volta a delle conferenze scientifiche. Per anni, però, l'ha accantonata perché troppo difficile da affrontare direttamente. La situazione è cambiata intorno al 2016, quando i ricercatori hanno iniziato a pubblicare prove sperimentali che dimostravano come l'acqua superraffreddata potesse scindersi in due forme distinte: una ad alta densità ed una a bassa densità.

Circa due anni e mezzo fa, Zeng affidò il problema a Liwen Li, un ricercatore post-dottorato del suo laboratorio. Invece di ripetere gli approcci convenzionali con cui altri gruppi avevano già faticato, Li suggerì l'utilizzo del "deep learning non supervisionato", ovvero un'intelligenza artificiale addestrata ad individuare schemi nei dati senza che le venga detto cosa cercare.

"Quindi l'IA è costretta ad apprendere, a usare le sue conoscenze per creare, per esplorare", ha detto Zeng a Live Science.

Il gruppo ha eseguito imponenti simulazioni di dinamica molecolare utilizzando il pacchetto di simulazione GROMACS. Hanno monitorato il movimento e l'interazione di centinaia di migliaia di molecole d'acqua, generando decine di milioni di punti dati.

"Tradizionalmente, per arrivare a questo risultato potrebbero essere necessari molti studenti. ... Con i computer e l'intelligenza artificiale, a [Li] ci è voluto forse un anno e mezzo", ha detto Zeng. Senza l'intelligenza artificiale, ha stimato, la stessa analisi avrebbe potuto richiedere quasi un decennio.

L'intelligenza artificiale ha restituito le "coordinate di reazione": un piccolo numero di variabili, ricavate da tutto quel movimento molecolare, che descrivono esattamente come la disposizione locale di una molecola d'acqua passa dalla struttura più densa a quella più lassa e viceversa. Hanno tracciato il comportamento del sistema lungo queste coordinate per visualizzare la forma della conversione. Ciò includeva il numero e la posizione delle barriere energetiche, o punti di sella, che le molecole devono superare per effettuare il cambiamento.

Due sentieri per salire sulla montagna

Il gruppo ha scoperto che il percorso che le due strutture seguono per convertirsi l'una nell'altra cambia a seconda di determinate condizioni. Nella maggior parte dei casi, la conversione avviene lungo quello che i ricercatori definiscono un percorso "a semianello", con un'unica barriera energetica da superare.

Ma in prossimità del confine tra acqua ad alta densità ed acqua a bassa densità — la stessa soglia in cui ghiaccio e acqua liquida coesistono a 0 gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit) — le molecole possono seguire un percorso più tortuoso, un vero e proprio "circuito completo", con tre barriere separate invece di una.

Zeng ha paragonato l'esperienza ad un'escursione su una montagna tagliata a metà, con un dolce pendio da un lato ed una ripida parete rocciosa dall'altro. La maggior parte degli escursionisti si attiene al pendio; questo è il percorso parziale. Ma vicino al punto di congiunzione tra le due metà, è come se la montagna si ricomponesse, permettendo agli escursionisti di circumnavigare l'intera cima. Questo è il percorso completo.

Zeng ed il suo gruppo stanno ora sviluppando un modello di apprendimento automatico più rigoroso per confermare il risultato. Sperano di poterlo infine collegare a proprietà come densità, viscosità e temperatura.

Poiché la maggior parte dei processi biologici e farmaceutici avviene in acqua, una migliore comprensione della struttura molecolare dell'acqua potrebbe far luce su come i sali disciolti, le proteine ​​e le molecole dei farmaci interagiscono in soluzione. "Queste interazioni sono vitali per i farmaci iniettabili e per la funzione cellulare", ha osservato, ma l'applicazione di questa conoscenza a scopi pratici è ancora lontana.

ENGLISH

For decades, scientists suspected water secretly behaves like two different liquids. A new AI-powered study has finally caught it happening at the molecular level.

For years, scientists have suspected that, at the molecular level, water is two different liquids ‪—‬ a denser one and a less-dense one ‪—‬ that are constantly switching places. Catching real molecular evidence of this microscopic transformation has been hard. But now, with help from artificial intelligence, researchers say they've finally found it.

"It's hard to imagine — here is just one water, right?" said Xiao Cheng Zeng, a physical chemist at the City University of Hong Kong and co-author of the new study, told Live Science while holding a water bottle in the air. That puzzle sent him digging through scientific literature, where he found the possible explanation: the two-state hypothesis. "That got my attention. We have literature to talk about it but no evidence."

The findings, published June 4 in the journal Nature Physics, could not only prove this long-sought molecular change is real, but also help to explain dozens of water's weird behaviors.

Most liquids become denser as they cool, but water behaves differently; it becomes denser until about 4 degrees Celsius, then starts to expand, which is why ice floats. Water also resists temperature changes better than similar liquids and has a viscosity that decreases under certain pressures. Scientists have documented various anomalies related to water and suspect they may be interconnected.

The two-state model is an attempt to be that unifying explanation.

A 30-year hunch

Zeng has been studying water since his postdoc days in the late 1990s, when he worked on liquid freezing. The two-state hypothesis itself came onto his radar later — around 2006, when he first encountered it at scientific conferences. But for years, he set it aside as too difficult to tackle directly. That changed roughly around 2016, as researchers began reporting experimental evidence that supercooled water could split into distinct high-density and low-density forms.

Around two and a half years ago, Zeng handed the problem to Liwen Li, a postdoctoral researcher in his lab. Rather than repeating the conventional approaches other groups had already struggled with, Li suggested the use of "unsupervised deep learning" — AI trained to spot patterns in data without being told what to look for.

"So AI [is] forced to learn — to use [its] knowledge to create, to explore," Zeng told Live Science.

The team ran massive molecular dynamics simulations, using the GROMACS simulation package. They tracked how hundreds of thousands of water molecules moved and interacted and generated tens of millions of data points.

"Traditionally, you may need a lot of students to figure that out. ... With computers and AI, it took [Li] maybe a year and a half," Zeng said. Without AI, he estimated, the same analysis might have taken closer to a decade.

The AI came back with "reaction coordinates" — a small number of variables, distilled out of all that molecular motion, that describe exactly how a water molecule's local arrangement shifts from the denser structure to the looser one and back. They plotted the system's behavior along those coordinates to see the shape of the conversion. That included the number and location of energy barriers, or saddle points, that molecules have to cross to make the switch.

Two paths up the mountain

The team found that the path the two structures take to convert into each other changes depending on certain conditions. Most of the time, the switch happens along what the researchers call a "semi-loop" pathway, with a single energy barrier to cross.

But near the boundary between high-density and low-density water — the same kind of threshold where ice and liquid water coexist at 32 degrees Fahrenheit (zero degrees Celsius) — the molecules can take a more roundabout "full-loop" path, with three separate barriers instead of one.

Zeng compared it to hiking a mountain that's been sliced in half, with a gentle slope on one side and a sheer cliff on the other. Most hikers stick to the slope; that's the semi-loop. But near the boundary where the two halves meet, it's as if the mountain were becoming whole again, letting hikers circle the entire peak. That's the full loop.

Zeng and his team are now building a more rigorous machine-learning model to confirm the result. They hope to eventually connect it to properties like density, viscosity and temperature.

Confirming the structure in real water won't be simple. Zeng said it will likely require new and sensitive experimental techniques — the kind developed by labs like Pacific Northwest National Laboratory, which previously found indirect spectroscopic evidence for water's two-state behavior.

"Once we have this ... confirmed by experiment," he said, "this model can be used to [understand] how water interacts with nature."

Since most biological and pharmaceutical processes happen in water, a better understanding of water's molecular structure could shed light on how dissolved salts, proteins, and drug molecules interact in solution. "These interactions are vital for injectable drugs and cell function," he noted, but applying this knowledge to practical uses is still a long way off.

Da:

https://www.livescience.com/physics-mathematics/water-might-secretly-be-a-mix-of-2-different-liquids-scientists-say?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=368B3745-DDE0-4A69-A2E8-62503D85375D&utm_medium=email&utm_content=FAE09ADF-828D-44CE-9B77-3F02549A7401&utm_source=SmartBrief