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.
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.
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.
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.
