Punctul critic lichid-lichid cartografiat in reteaua neuronala profunda

Un nou studiu Nature Physics a adus lumina asupra punctului critic lichid-lichid ipotezat indelung, in care apa exista simultan in doua forme lichide distincte, deschizand noi posibilitati pentru validarea experimentala.

Apa este cunoscuta pentru proprietatile sale anormale – spre deosebire de majoritatea substantelor, apa este cea mai densa in stare lichida, nu solida. Acest lucru duce la comportamente unice, cum ar fi gheata care pluteste pe apa.

Una dintre aceste caracteristici neobisnuite a determinat zeci de ani de cercetare pentru a intelege comportamentul unic al apei, in special in regimul de supraracire.

Cu toate acestea, studierea tranzitiei de faza lichid-lichid (LLPT), despre care se presupune ca ar avea loc in regimul de supraracire, s-a confruntat cu provocari pe care cercetatorii au vrut sa le abordeze.

„Apa este un lichid unic cu proprietati pe care oamenii de stiinta incearca sa le inteleaga de zeci de ani”, a explicat prof. Francesco Paesani, de la Universitatea din California San Diego.

„O ipoteza de lunga durata sugereaza ca in conditii extreme – in special la temperaturi foarte scazute si presiuni ridicate – apa poate exista in doua faze lichide distincte: un lichid cu densitate mare si un lichid cu densitate scazuta”.

Prof. Francesco Sciortino, coautor al studiului, a continuat: „Punctul in care aceste doua faze devin imperceptibile este cunoscut sub numele de punctul critic lichid-lichid. Cu toate acestea, confirmarea sa experimentala a ramas evaziva din cauza provocarii de a preveni inghetarea apei inainte de a ajunge la aceste conditii”.

Foto Stanga: instantaneu al unei simulari a dinamicii moleculare a apei supraracite. Dreapta: Diagrama de faza a apei supraracite prezisa prin simulari de dinamica moleculara cu potentialul DNN@MB-pol.

Punctul critic lichid-lichid prezis este indicat ca o stea la capatul liniei Widom (albastru), corespunzand locului fluctuatiilor maxime de-a lungul izobarelor.

Tranzitia de faza lichid-lichid

Cand apa pura este racita la -38°C, ramane in forma lichida, in ciuda faptului ca a trecut de punctul de inghet la 0°C. Aceasta este cunoscuta ca stare de supraracire.

In 1992, cercetatorii au propus pentru prima data ca apa poate avea o tranzitie de faza lichid-lichid (LLPT) sub punctul de supraracire de -38°C, unde exista in doua stari lichide sau faze distincte.

Prof. Sciortino a lucrat la aceasta problema in 1992 ca post-doctorand la Universitatea din Boston.

Dificultatea provine din ceea ce cercetatorii numesc „pamantul nimanui”, o regiune din diagrama de faza a apei in care apa lichida se cristalizeaza de obicei instantaneu in gheata inainte de a putea fi facute masuratori. Acest lucru se intampla sub punctul critic de supraracire de -38°C.

Incapacitatea de a efectua masuratori in timp real i-a fortat pe cercetatori sa se bazeze in mare masura pe simularile computerizate pentru a prezice comportamentul apei.

Studiile anterioare au produs predictii foarte variate pentru locatia punctului critic lichid-lichid (LLCP) propus, cu presiuni critice estimate variind de la 36 la 270 MPa si temperaturi critice de la -123 ° C la -23 ° C (sau de la 150 K la 250 K).

Solutia a venit sub forma unei conversatii intre Prof. Sciortino si Prof. Paesani despre un potential multicorp bazat pe date dezvoltat de echipa Prof. Paesani, MB-pol.

Un amestec de curiozitate si scepticism in jurul faptului ca MB-pol ar putea sonda riguros validitatea scenariului celor doua lichide in apa supraracita profund i-a determinat sa continue aceasta cercetare.

Utilizarea retelelor neuronale profunde

In ciuda acuratetii sale, MB-pol este mai solicitant din punct de vedere computational decat modelele empirice.

Pentru a depasi aceasta limitare, Sigbjørn Bore, al treilea autor al acestei lucrari, a dezvoltat un potential de retea neuronala profunda (DNN@MB-pol) antrenat pe datele MB-pol.

Spre deosebire de modelele de apa anterioare, aceasta abordare este derivata din chimia cuantica a principiilor prime la nivel de cluster cuplat, care este considerat standardul de aur pentru interactiunile moleculare.

Folosind modelul DNN@MB-pol, cercetatorii au efectuat simulari de dinamica moleculara de microsecunde.

„Acestea sunt cruciale pentru studierea apei in stari de supraracire profunda deoarece, pe masura ce temperatura scade, difuzia moleculara incetineste dramatic.

Aceasta incetinire face ca sistemul sa atinga un echilibru metastabil din ce in ce mai dificil, necesitand simulari exceptional de lungi pentru a capta dinamica relevanta”, a explicat prof. Paesani.

Simularile au fost efectuate in 280 de puncte de stare diferite, variind intre 20 de temperaturi (188 K pana la 368 K sau -85 ° C pana la 95 ° C) si 14 presiuni (0,1–131,7 MPa).

Toate simularile au fost efectuate cu un sistem de 256 de molecule de apa in conditii de limita periodice.

Identificarea tranzitiilor de faza lichid-lichid

Simularile au evidentiat dovezi directe pentru doua stari lichide distincte cu densitati si structuri diferite.

Cand studiau apa la -85°C (188 K), cercetatorii au observat fluctuatii dramatice de densitate care au loc pe scale de timp de microsecunde, apa comutand spontan intre starile de densitate mare si densitate scazuta la aproximativ 101,3 MPa.

Aceste observatii au confirmat existenta unei tranzitii de faza de ordinul intai intre doua forme lichide de apa, cu bariere de energie libera care cresc la racire, semnatura clara a unor astfel de tranzitii.

Luand in considerare abaterea sistematica a modelului in comparatie cu valorile experimentale, echipa a estimat punctul critic real din apa la aproximativ 198 K (-75 ° C) si 126,7 MPa.

Poate cel mai semnificativ, punctul critic identificat in aceasta cercetare apare la o presiune mai mica decat multe predictii anterioare, sugerand ca ar putea fi accesibil experimental.

Cercetatorii au reusit, de asemenea, sa construiasca o diagrama de faza cuprinzatoare care arata curba de coexistenta lichid-lichid.

„Suntem foarte increzatori in punctul nostru critic estimat lichid-lichid, deoarece este dezvoltat din chimia cuantica de la primele principii la nivel de teorie cuplata – standardul de aur pentru calculele structurii electronice”, a spus prof. Sciortino.

Nanopicaturi pentru validare

Rezultatele ofera cele mai puternice dovezi computationale de pana acum pentru existenta LLPT in apa, ajutand la rezolvarea unei intrebari stiintifice care persista de peste 30 de ani.

Cercetatorii cred ca nanopicaturile de apa – picaturi de apa cu o latime de nanometri existente in spatii inchise sau suspendate intr-un mediu – ar putea valida experimental rezultatele LLPT.

„Pentru nanopicaturile de doar cativa nanometri in diametru, presiunea interna ar putea atinge valori comparabile cu presiunea critica lichid-lichid (~1.250 atm). Acest lucru sugereaza ca nanopicaturile atent controlate ar putea oferi o cale experimentala pentru a sonda LLCP”, a spus prof. Paesani.

Prof. Sciortino a adaugat: „Experimentele de imprastiere a neutronilor si a razelor X ar putea fi folosite pentru a detecta semnaturile structurale ale celor doua stari lichide din aceste picaturi inchise”.

„In mod specific, tehnicile de imprastiere ar putea dezvalui fluctuatii de densitate si corelatii caracteristice fenomenelor critice. In plus, spectroscopia rezolvata in timp ar putea ajuta la capturarea dinamicii de interconversie intre cele doua faze lichide”.

Descoperirea LLPT are un impact larg asupra multiplelor domenii stiintifice.

Intelegerea comportamentului apei in cele doua stari ale sale ar putea imbunatati modelarea climatului si predictia vremii, ar putea oferi perspective asupra oceanelor de pe luni si planete indepartate.

De asemenea, ar putea imbunatati intelegerea proceselor celulare determinate de separarea fazelor si ar putea avansa in tehnologiile de stocare a energiei si tratarea apei.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: phys.org, pnas.org, researchgate.net.

Foto: F. Sciortino et al.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.