5 miesięcy temu

Nowe metody badawcze pozwalają zrozumieć niezwykłe właściwości wody

Stosując sztuczne sieci neuronowe, naukowcy z Bochum i Wiednia zbadali oddziaływania atomowe cząsteczek wody. Na podstawie wyników wyjaśnili dlaczego lód topnieje, a maksymalną gęstość woda osiąga w temperaturze czterech stopni Celsjusza.

woda-czasteczki

Nowo opracowana metoda (bazująca wyłączne na symulacji komputerowej) jest tak precyzyjna jak obliczenia przy użyciu mechaniki kwantowej i jest od niej 100.000 razy szybsza.

Zespoły dr Jörga Behler z Ruhr-Universität Bochum i dr Christophera Dellago z Uniwersytetu Wiedeńskiego opisał metody i wyniki pracy w czasopiśmie „Proceedings of National Academy of Sciences”.

Woda posiada szereg właściwości, których nie możemy zrozumieć wyłącznie jako efektu jej składu chemicznego.

Osiąga maksymalną gęstość w temperaturze czterech stopni Celsjusza, dzięki czemu lód może pływać na wodzie. Niezwykłe jest również to, że tak mała cząsteczka jak wody zachowuje stan ciekły w temperaturze pokojowej, a nie ulatnia się do postaci gazowej.

woda

Układ cząsteczek wody w stanie ciekłym (po lewej) w porównaniu do stanu stałego – lodu (po prawej)

Oddziaływania międzycząsteczkowe van der Waalsa

Ważną rolę w tych zjawiskach grają wiązania wodorowe. Analizy wykazały, że oddziaływania międzycząsteczkowe van der Waalsa są decydujące dla geometrii i elastyczności wiązań wodorowych.

Oddziaływania te, wykraczające poza właściwości wiązań chemicznych, chociaż wywołują jedynie bardzo słabe siły, słabsze niż oddziaływania elektrostatyczne, determinują właściwości wody.

Aby móc to zbadać Jörg Behler z Ruhr-Universität Bochum opracował metodę badawczą, opartą na założeniach, pierwotnie opracowany do badań mózgu. Sieci neuronowe uczą się bowiem sił występujących pomiędzy poszczególnymi atomami, jako funkcji swojego układu geometrycznego.

Van-der-waals-forces_water-structure_630m

Wraz ze zmianą temperatury wody z wyższej (po lewej) na niższą (po prawej) odległości (zaznaczone na niebiesko) od centralnej molekuły (zaznaczona na zielono) zmniejszają się. © Tobias Morawietz/University of Vienna

„Możemy zatem przeprowadzać symulacje komputerowe, które nie byłyby możliwe w przypadku konwencjonalnych kwantowych metod mechanicznych, ponieważ wysiłek obliczeniowy byłby zbyt wysoki, nawet dla superkomputerów”, mówi szef niezależnej grupy młodych naukowców z Bochum Chair for Theoretical Chemistry.

Metoda została po raz pierwszy zaaplikowana właśnie do analizy właściwości wody przez dr Tobiasa Morawietza, który zastosował ją w swojej pracy doktorskiej. Kolejne zastosowana metody mogą znacznie poszerzyć zakres naszej wiedzy o cząsteczkach.