Міждисциплінарна команда дослідників із низки установ Китаю, а також колеги з Сінгапуру та MIT знайшли докази того, що вода, перебуваючи під екстремальним тиском і при низьких температурах, може розділятися на дві різні рідкі фази. Це було теоретично передбачено десятиліття тому, але не доведено — до сьогодні. Завдяки передовим молекулярним симуляціям, які використовують штучний інтелект і квантову механіку, вдалося змоделювати цю загадкову поведінку. Це відкриває перспективи для майбутнього застосування в матеріалознавстві та екологічних технологіях.

Унікальні властивості води

Вода — надзвичайно унікальна речовина. Вона є однією з небагатьох, що можуть одночасно існувати у твердому, рідкому та газоподібному станах. Наприклад, лід плаває на поверхні озера, під ним знаходиться рідка вода, а над ним — водяна пара, що формує хмари. Крім того, тверда форма води, лід, є менш щільною за рідку, тому він плаває.

Тепер дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго виявили ще одну дивовижну властивість води. В екстремальних умовах — при високому тиску і низьких температурах — рідка вода може розділятися на дві окремі фази: одна з них має вищу щільність, ніж інша. Це відкриття, опубліковане в журналі Nature Physics, проливає світло на складну поведінку води.

Молекулярне моделювання: новий підхід

Професор хімії та біохімії Франческо Паесані та його команда в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго використовують поєднання хімії, фізики та комп’ютерних наук для створення високоточних молекулярних моделей. Використовуючи машинне навчання та обчислювальні алгоритми, вони розробляють симуляції, які дуже точно відтворюють експериментальні спостереження.

«Наша модель води настільки реалістична, що її майже можна пити», — жартує Паесані.

Критична точка води

Більшість рідин є однорідними — вони текучі, і неможливо відрізнити одну молекулу рідини від іншої. В основному це стосується й води. Однак у 1992 році дослідники висунули гіпотезу, що за певної температури та тиску рідка вода може досягти критичної точки, після якої вона більше не буде однорідною. Симуляції команди Паесані показали, що ця критична точка настає при температурі 198 Кельвінів (-103°F) і тиску 1 250 атмосфер. За цих умов вода починає коливатися між фазами високої та низької щільності. Нижче цього тиску вода повертається до низькощільної фази, а вище — повністю переходить у високоощільнену фазу.

Розвиток обчислювальних моделей

Початкові симуляції 1992 року були доволі грубими. Протягом наступних десятиліть дослідники намагалися експериментально підтвердити цей процес, але безуспішно. Завдяки сучасним методам моделювання, зокрема підходу many-body potentials, команда Паесані змогла досягти значно точніших результатів. Їхня модель MB-pol використовує високоточні квантово-механічні розрахунки та машинне навчання для створення надреалістичних симуляцій води. Вона аналізує взаємодію молекул води в різних умовах, враховуючи вплив кожної молекули на інші.

Квантові ефекти та суперкомп’ютери

«Квантові симуляції дуже затратні. Зазвичай можна розрахувати енергію лише кількох молекул води. Але наш метод дозволяє проводити симуляції в масштабах мікросекунд,» — зазначає Паесані.

Однак цей прорив дався нелегко. На проведення симуляцій пішло майже два роки безперервних розрахунків на найпотужніших суперкомп’ютерах, зокрема Expanse у Сан-Дієго.

Майбутні можливості

У перспективі Паесані сподівається, що ці дослідження допоможуть створити синтетичні рідини, які матимуть подібні фазові переходи, але за звичайних умов. Наприклад, пористі рідини, здатні змінювати щільність, можуть бути корисними для очищення води від забруднень або опріснення.

«Ми провели симуляції, тепер справа за експериментальними вченими, які мають підтвердити наші передбачення,» — підсумовує Паесані.

Виклик для лабораторних експериментів

Відтворення цих умов у лабораторії наразі є складним завданням. Проте нанокрапельні технології можуть допомогти створити мікроскопічні краплі води, у яких через поверхневий натяг утворюється високий внутрішній тиск. Це може стати ключем до експериментального підтвердження цього явища. Поки що це відкриття є найточнішим прогнозом явища, яке вчені давно підозрювали, але ніколи не спостерігали напряму. І коли цей день настане, це може назавжди змінити наше розуміння води.

Міждисциплінарна команда, до складу якої входять дослідники з кількох установ Китаю, а також колеги з Сінгапуру та Массачусетського технологічного інституту (MIT), знайшла докази того, що встановлення сонячних панелей на всіх дахах у світі, замість традиційних джерел енергії, могло б призвести до зниження середньої глобальної температури поверхні Землі до 0,13°C.

У своїй статті, опублікованій у журналі Nature Climate Change, дослідники описують, як вони використовували різні методи для оцінки загальної площі дахів у світі, визначення кількості електроенергії, яку можна було б отримати за умови їх повного покриття сонячними панелями, а також можливого впливу такого переходу.

У цьому дослідженні вчені вивчали потенційний вплив на глобальне потепління, якщо замість традиційних джерел енергії, таких як вугільні електростанції, активно використовувати сонячні панелі. Їхня мета полягала в тому, щоб спростувати аргументи скептиків, які стверджують, що зупинити або повернути назад глобальне потепління неможливо.

Щоб оцінити максимальний потенціал сонячної енергетики, вчені змоделювали сценарій, у якому всі дахи світу були б покриті сонячними панелями. Для цього вони використали різні методи оцінки площі дахів, зокрема геопросторовий аналіз даних і штучний інтелект. У результаті вони визначили, що загальна площа дахів у світі становить приблизно 286 393 квадратних кілометри. Вони також врахували фактори, що впливають на ефективність виробництва сонячної енергії, такі як погодні умови, віддаленість від екватора та економічний рівень регіонів.

Наступним кроком команда розділила земну кулю на кілька кластерів і розрахувала кількість енергії, яку можна було б отримати в кожному з них. Потім вони оцінили, наскільки скоротилися б викиди вуглекислого газу при переході на сонячну енергетику в кожному кластері. Додавши всі ці значення, дослідники отримали загальний показник і використали його для розрахунку глобального зниження температури. За їхніми оцінками, до 2050 року температура може знизитися на 0,05–0,13°C.

Дослідники визнають, що покрити всі дахи у світі сонячними панелями – складне завдання. Однак вони підкреслюють, що їхнє дослідження демонструє реальний шлях, який людство могло б обрати, щоб запобігти глобальній кліматичній катастрофі у найближчі десятиліття, якщо воно вирішить діяти.