لسنوات، كان العلماء يشتبهون في أنه على المستوى الجزيئي، الماء نوعان من السوائل المختلفة – أكثر كثافة وأقل كثافة – والتي تتغير الأماكن باستمرار. لقد كان العثور على دليل جزيئي حقيقي لهذا التحول المجهري أمرًا صعبًا. ولكن الآن، بمساعدة من الذكاء الاصطناعييقول الباحثون أنهم عثروا عليه أخيرًا.
“من الصعب أن نتخيل – هنا ماء واحد فقط، أليس كذلك؟” قال شياو تشينغ تسنغقال عالم الكيمياء الفيزيائية في جامعة سيتي في هونغ كونغ والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة لموقع Live Science بينما كان يحمل زجاجة ماء في الهواء. دفعه هذا اللغز إلى البحث في المؤلفات العلمية، حيث وجد التفسير المحتمل: فرضية الدولتين. “لقد لفت هذا انتباهي. لدينا أدبيات للحديث عنها ولكن لا يوجد دليل.”
النتائج نشرت في 4 يونيو في المجلة فيزياء الطبيعة، لم يتمكن من إثبات أن هذا التغيير الجزيئي الذي طال انتظاره حقيقي فحسب، بل ساعد أيضًا في تفسير العشرات من السلوكيات الغريبة للمياه.
تصبح معظم السوائل أكثر كثافة عندما تبرد، لكن الماء يتصرف بشكل مختلف؛ ويصبح أكثر كثافة حتى تصل درجة حرارته إلى حوالي 4 درجات مئوية، ثم يبدأ بالتمدد، ولهذا يطفو الجليد. كما يقاوم الماء التغيرات في درجات الحرارة بشكل أفضل من السوائل المماثلة، وله لزوجة تقل عند ضغوط معينة. لقد قام العلماء بتوثيق العديد من الحالات الشاذة المتعلقة بالمياه ويشتبهون في أنها قد تكون مترابطة.
إن نموذج الدولتين هو محاولة لتقديم هذا التفسير الموحد.
حدس 30 عاما
كان تسنغ يدرس الماء منذ أيام ما بعد الدكتوراه في أواخر التسعينيات، عندما كان يعمل على تجميد السوائل. وقد ظهرت فرضية الدولتين نفسها على راداره في وقت لاحق – حوالي عام 2006، عندما واجهها لأول مرة في مؤتمرات علمية. لكن لسنوات، ظل يضعها جانبًا لأنه من الصعب جدًا معالجتها بشكل مباشر. تغير ذلك تقريبًا في عام 2016، عندما بدأ الباحثون في الإبلاغ عن أدلة تجريبية على أن الماء فائق التبريد يمكن أن ينقسم إلى أشكال متميزة عالية الكثافة ومنخفضة الكثافة.
منذ حوالي عامين ونصف، سلم تسنغ المشكلة إلى ليوين لي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبره. وبدلاً من تكرار الأساليب التقليدية التي عانت المجموعات الأخرى من استخدامها بالفعل، اقترح لي استخدام “التعلم العميق غير الخاضع للرقابة” – وهو الذكاء الاصطناعي المدرب على اكتشاف الأنماط في البيانات دون أن يتم إخباره عما يجب البحث عنه.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
“إذن منظمة العفو الدولية [is] أجبر على التعلم – للاستخدام [its] المعرفة لخلقها واستكشافها”، قال تسنغ لموقع Live Science.
أجرى الفريق عمليات محاكاة ضخمة للديناميكيات الجزيئية، باستخدام جروماكس حزمة المحاكاة. لقد تتبعوا كيفية تحرك مئات الآلاف من جزيئات الماء وتفاعلها وتوليد عشرات الملايين من نقاط البيانات.
“تقليديًا، قد تحتاج إلى الكثير من الطلاب لمعرفة ذلك. … مع أجهزة الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي، استغرق الأمر الأمر [Li] قال تسنغ: ربما سنة ونصف. وبدون الذكاء الاصطناعي، ربما كان التحليل نفسه سيستغرق ما يقرب من عقد من الزمن.
تم استخدام الذكاء الاصطناعي لدراسة التركيب الجزيئي للمياه.
(رصيد الصورة: Vertigo3d عبر Getty Images)
عاد الذكاء الاصطناعي مع “إحداثيات رد الفعل” – عدد صغير من المتغيرات، المستخرجة من كل تلك الحركة الجزيئية، التي تصف بالضبط كيف يتحول الترتيب المحلي لجزيء الماء من البنية الأكثر كثافة إلى البنية الأكثر مرونة والعودة. لقد رسموا سلوك النظام على طول تلك الإحداثيات لرؤية شكل التحويل. وشمل ذلك عدد وموقع حواجز الطاقة، أو نقاط السرج، التي يجب على الجزيئات عبورها لإجراء التبديل.
طريقين أعلى الجبل
ووجد الفريق أن المسار الذي يسلكه الهيكلان للتحول إلى بعضهما البعض يتغير اعتمادًا على ظروف معينة. في أغلب الأحيان، يحدث التحول على طول ما يسميه الباحثون مسارًا “شبه حلقة”، مع وجود حاجز طاقة واحد يجب عبوره.
ولكن بالقرب من الحدود بين المياه ذات الكثافة العالية والمنخفضة الكثافة – وهي نفس العتبة التي يتعايش فيها الجليد والماء السائل عند درجة حرارة 32 درجة فهرنهايت (صفر درجة مئوية) – يمكن للجزيئات أن تتخذ مسارًا ملتويًا “كامل الحلقة”، مع ثلاثة حواجز منفصلة بدلاً من واحد.
وقارن تسنغ الأمر بالمشي لمسافات طويلة في جبل مقسم إلى نصفين، مع منحدر لطيف على أحد الجانبين وجرف شديد الانحدار على الجانب الآخر. يلتزم معظم المتنزهين بالمنحدر. هذه هي نصف الحلقة. ولكن بالقرب من الحدود حيث يلتقي النصفان، يبدو الأمر كما لو أن الجبل قد أصبح كاملاً مرة أخرى، مما يسمح للمتنزهين بالالتفاف حول القمة بأكملها. هذه هي الحلقة الكاملة.
ويعمل تسنغ وفريقه الآن على بناء نموذج أكثر صرامة للتعلم الآلي لتأكيد النتيجة. ويأملون في ربطه في النهاية بخصائص مثل الكثافة واللزوجة ودرجة الحرارة.
لن يكون تأكيد البنية في الماء الحقيقي أمرًا بسيطًا. وقال تسنغ إن الأمر سيتطلب على الأرجح تقنيات تجريبية جديدة وحساسة، من النوع الذي طورته مختبرات مثل المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ، والتي وجدت سابقًا دليلًا طيفيًا غير مباشر على سلوك الماء في حالتين.
وقال: “بمجرد حصولنا على هذا… وتأكيده بالتجربة، يمكن استخدام هذا النموذج [understand] كيف يتفاعل الماء مع الطبيعة.”
وبما أن معظم العمليات البيولوجية والصيدلانية تحدث في الماء، فإن الفهم الأفضل للبنية الجزيئية للماء يمكن أن يسلط الضوء على كيفية تفاعل الأملاح الذائبة والبروتينات وجزيئات الدواء في المحلول. وأشار إلى أن “هذه التفاعلات حيوية بالنسبة للأدوية القابلة للحقن ووظيفة الخلايا”، لكن تطبيق هذه المعرفة على الاستخدامات العملية لا يزال بعيد المنال.
