Hipoteza dotycząca takiej dwustanowej wody istnieje od ponad trzech dekad. Zakłada ona, że w zwykłej ciekłej wodzie współistnieją dwa lokalne układy cząsteczek. Pierwszy jest bardziej uporządkowany i ma niższą gęstość, drugi natomiast charakteryzuje się większym upakowaniem oraz bardziej chaotycznym rozmieszczeniem cząsteczek. Zgodnie z teorią oba stany stale zamieniają się miejscami w skali molekularnej, tworząc dynamiczną równowagę odpowiedzialną za niezwykłe właściwości wody. Problem polegał jednak na tym, że brakowało bezpośrednich dowodów potwierdzających istnienie takiego mechanizmu.
Czytaj też: Fizycy stworzyli miniaturowy wszechświat, by sprawdzić szaloną teorię. Czy czas w ogóle istnieje?
Badacze z City University of Hong Kong postanowili podejść do problemu w nowy sposób. Zamiast polegać wyłącznie na klasycznych analizach komputerowych, wykorzystali zaawansowaną sztuczną inteligencję oraz rozległe symulacje dynamiki molekularnej obejmujące setki tysięcy cząsteczek wody. Algorytmy uczące się bez nadzoru przeanalizowały dziesiątki milionów punktów danych i samodzielnie wykryły wzorce opisujące sposób, w jaki lokalne struktury cząsteczek przechodzą między stanem o wysokiej i niskiej gęstości.
Analiza wykazała, iż w typowych warunkach przemiana między obiema strukturami przebiega przez pojedynczą barierę energetyczną. W pobliżu granicy przemian fazowych sytuacja staje się jednak znacznie bardziej złożona: cząsteczki mogą podążać alternatywną ścieżką obejmującą kilka kolejnych barier energetycznych. Zdaniem autorów to właśnie taka dynamiczna wymiana pomiędzy dwoma lokalnymi strukturami może tłumaczyć wiele nietypowych właściwości wody, które od lat stanowią wyzwanie dla fizyków i chemików.
Naukowcy podkreślają jednak, że nie oznacza to odkrycia dwóch oddzielnych cieczy, które można byłoby rozdzielić w szklance wody. Oba stany istnieją jedynie na poziomie mikroskopowym i nieustannie przechodzą jeden w drugi. Dla obserwatora woda pozostaje jednorodną cieczą, natomiast w skali molekularnej jej struktura jest znacznie bardziej dynamiczna, niż dotychczas myśleliśmy.
Czytaj też: Czas popłynie wstecz? Badanie kwestionuje jedno z najbardziej fundamentalnych założeń fizyki
Mając na uwadze fakt, że woda uczestniczy praktycznie we wszystkich procesach biologicznych i chemicznych zachodzących na Ziemi, konsekwencje powyższego odkrycia mogą być szerokie. Lepsze zrozumienie jej wewnętrznej struktury powinno pomóc wyjaśnić sposób oddziaływania białek, soli i leków z otaczającymi je cząsteczkami wody, a także wpłynąć na rozwój nowych materiałów czy technologii magazynowania energii. Badacze wskazują również na scenariusz, w którym dokładniejsze modele zachowania wody mogłyby znaleźć zastosowanie w geologii, naukach o klimacie czy medycynie.
Źródło: Nature Physics
