Pare absurd: apa e apa, aceeași substanță simplă, H₂O, despre care învățăm în clasa a patra. Și totuși, de decenii, unii fizicieni suspectau ceva mult mai ciudat – că, la nivel molecular, apa se comportă ca un amestec permanent între două „lichide” diferite, unul mai dens și unul mai puțin dens, care își schimbă identitatea în mod constant. Un nou studiu publicat în Nature Physics susține că a prins, în sfârșit, această transformare „în flagrant”, cu ajutorul inteligenței artificiale.

O întrebare care a stat pe rafturile fizicii 30 de ani

„E greu de imaginat – doar atât, o singură apă, nu?”, spune Xiao Cheng Zeng, chimist fizician la City University of Hong Kong și coautor al studiului, care a povestit pentru Live Science ținând în mână o sticlă de apă. Întrebarea l-a trimis în literatura științifică, unde a găsit o posibilă explicație: ipoteza celor două stări. „Asta mi-a atras atenția. Aveam literatură care vorbea despre asta, dar nicio dovadă.”

Apa are, de multă vreme, un dosar plin de comportamente ciudate care nu se leagă cu logica majorității lichidelor. Majoritatea lichidelor devin mai dense pe măsură ce se răcesc – apa face asta doar până la aproximativ 4 grade Celsius, după care începe să se dilate, motiv pentru care gheața plutește în loc să se scufunde. Apa rezistă mai bine la schimbări de temperatură decât lichide similare, iar vâscozitatea ei scade, surprinzător, sub anumite presiuni. De ani buni, fizicienii suspectează că aceste anomalii sunt, de fapt, legate între ele, iar modelul „celor două stări” a fost propus exact ca explicație unificatoare.

AI-ul a făcut în un an și jumătate ce ar fi durat un deceniu

Zeng studiază apa de pe vremea postdoctoratului, de la finalul anilor ’90, când lucra la procese de îngheț. Ipoteza celor două stări i-a apărut pe radar mai târziu, în 2006, la conferințe științifice, dar a lăsat-o deoparte ani de zile, considerând-o prea dificil de atacat direct. Lucrurile s-au schimbat în jurul anului 2016, când au început să apară dovezi experimentale că apa super-răcită se poate separa în forme distincte, de densitate mare și de densitate mică.

Acum aproximativ doi ani și jumătate, Zeng a pasat problema lui Liwen Li, cercetător postdoctoral în laboratorul său. În loc să repete abordările convenționale cu care alte echipe se chinuiseră deja, Li a propus folosirea „deep learning-ului nesupravegheat” – inteligență artificială instruită să identifice modele în date, fără să i se spună dinainte ce să caute.

Echipa a rulat simulări masive de dinamică moleculară, folosind pachetul de simulare GROMACS, urmărind cum se mișcă și interacționează sute de mii de molecule de apă și generând zeci de milioane de puncte de date. „Tradițional, ai avea nevoie de mulți studenți ca să-ți dai seama de asta… Cu calculatoare și AI, lui Li i-a luat probabil un an și jumătate”, spune Zeng. Fără AI, estimează el, aceeași analiză ar fi putut dura aproape un deceniu.

Doi munți, două drumuri către vârf

AI-ul a produs ceea ce cercetătorii numesc „coordonate de reacție” – un număr mic de variabile, distilate din toată mișcarea moleculară, care descriu exact cum se schimbă aranjamentul local al unei molecule de apă, dintr-o structură mai densă către una mai liberă și invers. Reprezentând grafic comportamentul sistemului de-a lungul acestor coordonate, echipa a putut vedea forma conversiei, inclusiv numărul și poziția barierelor de energie pe care moleculele trebuie să le treacă pentru a-și schimba starea.

Echipa a descoperit că drumul pe care cele două structuri îl urmează pentru a se transforma una în alta variază în funcție de anumite condiții. De cele mai multe ori, schimbarea are loc pe ceea ce cercetătorii numesc un traseu de tip „semi-buclă”, cu o singură barieră de energie de trecut.

Dar în apropierea limitei dintre apa de densitate mare și cea de densitate mică – același tip de prag la care gheața și apa lichidă coexistă, la zero grade Celsius – moleculele pot urma un traseu mai întortocheat, de tip „buclă completă”, cu trei bariere separate, nu una.

Zeng compară procesul cu drumeția pe un munte tăiat în jumătate, cu o pantă blândă pe o latură și o stâncă abruptă pe cealaltă. Majoritatea drumeților rămân pe pantă – asta e semi-bucla. Dar în apropierea liniei unde cele două jumătăți se întâlnesc, e ca și cum muntele s-ar reîntregi, permițând drumeților să înconjoare întregul vârf. Asta e bucla completă.

De la moleculă, către medicamente injectabile și funcția celulară

Echipa lui Zeng construiește acum un model de învățare automată mai riguros, pentru a confirma rezultatul, și speră să-l lege, în cele din urmă, de proprietăți precum densitatea, vâscozitatea și temperatura. Confirmarea structurii în apa reală nu va fi simplă – va fi nevoie, probabil, de tehnici experimentale noi și foarte sensibile, de tipul celor dezvoltate la laboratoare precum Pacific Northwest National Laboratory, care a găsit deja dovezi spectroscopice indirecte pentru comportamentul în două stări al apei.

„Odată ce avem asta… confirmat experimental, acest model poate fi folosit pentru a înțelege cum interacționează apa cu natura.” — Xiao Cheng Zeng, chimist fizician

Pentru că cele mai multe procese biologice și farmaceutice se desfășoară în apă, o înțelegere mai bună a structurii ei moleculare ar putea arăta cum interacționează în soluție sărurile dizolvate, proteinele și moleculele de medicamente. „Aceste interacțiuni sunt vitale pentru medicamentele injectabile și pentru funcția celulară”, notează el, chiar dacă aplicarea practică a acestor cunoștințe e încă departe.

Lichidul pe care îl bei zilnic din pahar rămâne, evident, apă – nimic din povestea spusă aici nu schimbă vechea realitate. Ce se schimbă e ideea că cea mai banală substanță din viața noastră ascunde, la nivel molecular, un mecanism pe care fizica nu l-a putut surprinde în mod direct timp de trei decenii.