Двойная природа воды: нейросеть помогла обнаружить критическую точку

Вода обладает множеством необычных свойств. Одно из самых загадочных — способность существовать в двух жидких состояниях при экстремально низких температурах и высоком давлении. Новое исследование в журнале Nature Physics представило подробные данные о так называемой точке критического перехода «жидкость–жидкость», где два разных жидких состояния воды сливаются в одно.

Гипотеза о двойственной природе воды сформировалась давно, потому что лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и удерживается на поверхности. Это приводит к уникальным феноменам, которые исследователи изучают уже десятилетиями. Особенно интересен сверхохлаждённый режим, когда температура опускается ниже -38°C без образования льда.

Долгое время не удавалось зафиксировать переход воды из состояния с более высокой плотностью в состояние с более низкой при экстремальных условиях, потому что вода обычно мгновенно кристаллизуется, не оставляя времени для наблюдения. Компьютерное моделирование оставалось единственным способом приблизиться к пониманию этого феномена.

Предыдущие теоретические расчёты указывали, что критическая точка, разделяющая две фазовые формы воды, может находиться в широком диапазоне давлений и температур — от 36 до 270 МПа и от -123°C до -23°C. Точное положение оставалось спорным из-за сложностей экспериментов в «запретной зоне», где вода почти мгновенно превращается в лёд.

Недавняя работа опирается на модель MB-pol, учитывающую квантово-химические взаимодействия в воде на высочайшем уровне точности. Из-за её ресурсоёмкости использовалась нейросеть DNN@MB-pol, способная длительно имитировать движение молекул воды в микросекундном масштабе — достаточно, чтобы вода переходила между разными плотностями при пониженных температурах.

В моделировании при -85°C и давлении около 101,3 МПа были замечены резкие скачки плотности: жидкая фаза спонтанно переключалась между высокоплотным и низкоплотным состояниями. Это подтвердило существование перехода первого рода. После учёта мелких расхождений модель указала, что в реальных условиях такой переход может проходить примерно при -75°C и давлении около 126,7 МПа.

Особенно важно то, что давление оказалось ниже многих предыдущих прогнозов, а значит, экспериментальная проверка стала ближе к реальности. Считается, что нанокапли воды всего в несколько нанометров способны развить столь высокое внутреннее давление и позволят провести измерения до возникновения кристаллизации.

Методы рассеяния нейтронов, рентгеновские эксперименты и быстрая спектроскопия помогут отследить момент превращения одной жидкой фазы в другую. Понимание двойственного поведения воды ценно не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных задач — от более точных климатических моделей до технологий очистки воды и хранения энергии.