Два лица воды: искусственный интеллект доказал то, о чём физики спорили десятилетиями

Годами учёные подозревали, что на молекулярном уровне вода представляет собой две разные жидкости — более плотную и менее плотную, — которые постоянно меняются местами. Поймать реальное молекулярное свидетельство этого микроскопического превращения было чрезвычайно трудно. Но теперь, с помощью искусственного интеллекта, исследователи говорят, что наконец-то нашли его.

«Трудно представить — вот же просто вода, да?» — сказал Live Science Сяо Чэн Цзэн, физикохимик из Городского университета Гонконга и соавтор нового исследования, поднимая в воздух бутылку с водой. Эта загадка заставила его погрузиться в научную литературу, где он нашёл возможное объяснение: гипотезу двух состояний. «Это привлекло моё внимание. У нас есть литература, обсуждающая это, но нет доказательств».

Результаты, опубликованные 4 июня в журнале Nature Physics, не только способны доказать, что это долгожданное молекулярное превращение реально, но и помочь объяснить десятки странных свойств воды. Большинство жидкостей становятся плотнее при охлаждении, но вода ведёт себя иначе: она уплотняется примерно до 4 градусов Цельсия, а затем начинает расширяться — вот почему лёд плавает. Вода также лучше сопротивляется перепадам температуры, чем похожие на неё жидкости, и обладает вязкостью, которая снижается при определённом давлении. Учёные задокументировали множество аномалий, связанных с водой, и подозревают, что все они могут быть взаимосвязаны. Модель двух состояний — это попытка дать им единое объяснение.

Гипотеза длиной в 30 лет

Цзэн изучает воду ещё с постдокторских времён конца 1990-х, когда работал над замерзанием жидкостей. Сама гипотеза двух состояний попала в его поле зрения позже — примерно в 2006 году, когда он впервые столкнулся с ней на научных конференциях. Но долгие годы он откладывал её как слишком трудную для прямой проверки. Ситуация изменилась примерно в 2016 году, когда исследователи начали публиковать экспериментальные свидетельства того, что переохлаждённая вода способна разделяться на две различные формы — высокой и низкой плотности.

Около двух с половиной лет назад Цзэн передал задачу Ливэнь Ли, постдоктору в его лаборатории. Вместо того чтобы повторять общепринятые подходы, с которыми другие группы уже намучились, Ли предложила использовать «неконтролируемое глубокое обучение» — искусственный интеллект, натренированный выявлять закономерности в данных без подсказок, что именно искать. «Так ИИ вынужден учиться — использовать свои знания, чтобы творить, исследовать», — пояснил Цзэн.

Команда запустила масштабное молекулярно-динамическое моделирование с помощью программного пакета GROMACS. Они отслеживали, как движутся и взаимодействуют сотни тысяч молекул воды, и сгенерировали десятки миллионов точек данных. «Традиционно вам понадобилась бы уйма студентов, чтобы во всём этом разобраться… С компьютерами и ИИ у Ли ушло, может быть, полтора года», — сказал Цзэн. Без искусственного интеллекта, по его оценке, тот же анализ мог бы занять ближе к десятилетию.

ИИ выдал «координаты реакции» — небольшое число переменных, извлечённых из всего этого молекулярного движения, которые точно описывают, как локальное окружение молекулы воды перестраивается из более плотной структуры в более рыхлую и обратно. Исследователи построили график поведения системы вдоль этих координат, чтобы увидеть форму превращения, включая количество и расположение энергетических барьеров, или седловых точек, которые молекулам приходится преодолевать для переключения.

Два маршрута на гору

Команда обнаружила, что путь превращения двух структур друг в друга меняется в зависимости от определённых условий. В большинстве случаев переключение происходит по так называемому «полупетлевому» маршруту с преодолением одного энергетического барьера. Но вблизи границы между водой высокой и низкой плотности — того же порога, где лёд и жидкая вода сосуществуют при нуле градусов Цельсия, — молекулы могут пойти более окольным «полнопетлевым» путём, преодолевая три отдельных барьера вместо одного.

Цзэн сравнил это с восхождением на гору, которую разрезали пополам: с одной стороны пологий склон, с другой — отвесная скала. Большинство туристов держатся склона — это и есть полупетля. Но у границы, где две половины смыкаются, гора как будто вновь становится целой, и путники могут обойти всю вершину. Это полная петля.

Сейчас Цзэн и его команда строят более строгую модель машинного обучения, чтобы подтвердить результат. В перспективе они надеются связать её с такими свойствами, как плотность, вязкость и температура. Подтвердить структуру в реальной воде будет непросто. Цзэн считает, что для этого потребуются новые чувствительные экспериментальные методы — вроде тех, что разрабатываются, например, в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, где ранее нашли косвенные спектроскопические доказательства двух состояний воды.

«Как только мы получим этому экспериментальное подтверждение, — сказал он, — эту модель можно будет использовать для понимания того, как вода взаимодействует с природой». Поскольку большинство биологических и фармацевтических процессов протекают в водной среде, более глубокое понимание молекулярной структуры воды может пролить свет на то, как растворённые соли, белки и молекулы лекарств взаимодействуют в растворе. «Эти взаимодействия жизненно важны для инъекционных препаратов и функционирования клеток», — отметил он, хотя до практического применения этих знаний ещё далеко.

Источники:
Li, L. et al. (2026). Nature Physics; интервью с Сяо Чэн Цзэном (Городской университет Гонконга) для Live Science; данные Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.