Durante anos, os cientistas suspeitaram que, a nível molecular, A água são dois líquidos diferentes – Mais denso e menos denso – que muda constantemente de lugar. Encontrar evidências moleculares reais para esta transformação microscópica tem sido difícil. Mas agora, com a ajuda de… inteligência artificialOs pesquisadores dizem que finalmente o encontraram.
“É difícil imaginar – só há água aqui, não é?” Ele disse Xiao Qing Zeng“É muito divertido”, disse o físico-químico da City University de Hong Kong e coautor do novo estudo à WordsSideKick.com enquanto segurava uma garrafa de água no ar. Este mistério o levou a pesquisar a literatura científica, onde encontrou uma possível explicação: a hipótese das duas nações. “Isso me chamou a atenção. Temos literatura para falar, mas nenhuma evidência.”
Os resultados foram publicados em 4 de junho na revista Física da naturezaEle não só foi capaz de provar que esta mudança molecular há muito procurada é real, mas também ajudou a explicar dezenas de comportamentos estranhos da água.
A maioria dos líquidos torna-se mais densa à medida que esfria, mas a água se comporta de maneira diferente; Torna-se mais denso até que a sua temperatura atinge cerca de 4 graus Celsius, depois começa a expandir-se, razão pela qual o gelo flutua. A água também resiste melhor às mudanças de temperatura do que líquidos semelhantes e tem uma viscosidade que diminui em certas pressões. Os cientistas documentaram várias anomalias relacionadas com a água e suspeitam que possam estar relacionadas.
O modelo de dois estados é uma tentativa de fornecer esta explicação unificada.
Intuição 30 anos
Zeng estuda água desde seu pós-doutorado no final da década de 1990, quando trabalhou no congelamento de líquidos. A própria hipótese dos dois Estados apareceu no seu radar mais tarde – por volta de 2006, quando a encontrou pela primeira vez em conferências científicas. Mas durante anos este problema foi deixado de lado porque é muito difícil de abordar diretamente. Isso mudou aproximadamente em 2016, quando os pesquisadores começaram a relatar evidências experimentais de que a água super-resfriada pode se dividir em formas distintas de alta e baixa densidade.
Cerca de dois anos e meio atrás, Zeng entregou o problema para… Leewin Leepesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Em vez de replicar métodos tradicionais que outros grupos já tinham tido dificuldade em utilizar, Lee propôs a utilização de “aprendizagem profunda não supervisionada” – inteligência artificial treinada para detectar padrões em dados sem que lhe fosse dito o que procurar.
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“Portanto, a IA é forçada a aprender e a usar seu conhecimento para criar e explorar”, disse Zeng à WordsSideKick.com.
A equipe realizou grandes simulações de dinâmica molecular, usando… Gromax Pacote de simulação. Eles rastrearam como centenas de milhares de moléculas de água se movem e interagem e geraram dezenas de milhões de pontos de dados.
“Tradicionalmente, seriam necessários muitos estudantes para descobrir isso. … Com computadores e inteligência artificial, demorei talvez um ano e meio”, disse Zeng. Ele estimou que sem IA, a análise em si poderia levar quase uma década.
A inteligência artificial tem sido usada para estudar a estrutura molecular da água.
(Crédito da imagem: Vertigo3d via Getty Images)
A IA voltou com “coordenadas de reação” – um pequeno número de variáveis, extraídas de todo aquele movimento molecular, que descrevem exatamente como o arranjo local de uma molécula de água muda da estrutura mais densa para a estrutura mais flexível e vice-versa. Eles traçaram o comportamento do sistema ao longo dessas coordenadas para ver como seria a transformação. Isto incluiu o número e a localização das barreiras energéticas, ou pontos de sela, que as moléculas devem atravessar para fazer a mudança.
Dois caminhos até a montanha
A equipe descobriu que o caminho que as duas estruturas percorrem para se transformarem muda dependendo de certas condições. Na maioria das vezes, a transformação ocorre ao longo do que os investigadores chamam de caminho de “semi-loop”, com apenas uma barreira de energia a atravessar.
Mas perto da fronteira entre água de alta e baixa densidade – o mesmo limite em que o gelo e a água líquida coexistem a 32 graus Fahrenheit (0 graus Celsius) – as moléculas podem seguir um caminho tortuoso, de “circuito completo”, com três barreiras separadas em vez de uma.
Zeng comparou isso a caminhar por uma montanha dividida ao meio, com uma encosta suave de um lado e um penhasco íngreme do outro. A maioria dos caminhantes segue a encosta. Esta é metade do episódio. Mas perto da fronteira onde as duas metades se encontram, é como se a montanha tivesse voltado a ser inteira, permitindo aos caminhantes circunavegar todo o pico. Este é o episódio completo.
Zeng e sua equipe estão agora trabalhando na construção de um modelo de aprendizado de máquina mais rigoroso para confirmar o resultado. Eles esperam eventualmente vinculá-lo a propriedades como densidade, viscosidade e temperatura.
Confirmar a estrutura em água real não será simples. Zeng disse que provavelmente exigirá técnicas experimentais novas e sensíveis, do tipo desenvolvido por laboratórios como… Laboratório Nacional do Noroeste Pacíficoque anteriormente encontrou evidências espectroscópicas indiretas para o comportamento da água em dois casos.
“Assim que tivermos isso confirmado pelo experimento, este modelo poderá ser usado (para entender) como a água interage com a natureza”, disse ele.
Uma vez que a maioria dos processos biológicos e farmacêuticos ocorrem na água, uma melhor compreensão da estrutura molecular da água pode esclarecer como os sais dissolvidos, proteínas e moléculas de medicamentos interagem em solução. “Essas interações são vitais para os medicamentos injetáveis e para a função celular”, observou ele, mas a aplicação desse conhecimento a usos práticos permanece indefinida.
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