Благодаря моделям и машинному обучению ученые изучили фазовый переход воды, ранее недоступный для воспроизведения экспериментом. Ученые подтвердили существование перехода жидкость — жидкость при температуре ниже минус 100 градусов Цельсия, где вода делится на две несмешивающиеся фазы с разной плотностью.
Тридцать лет ученые считали, что при охлаждении до температур ниже минус сто градусов Цельсия вода разделяется на две жидки фазы с разной плотностью. Фазы не смешиваются, а это может объяснить некоторые другие необычные свойства воды — например, её уменьшение плотности по мере охлаждения.
Это явление практически невозможно изучить в лабораторных условиях, так как вода очень быстро замерзает при таких низких температурах. Новое исследование ученых Технологического института Джорджии (США) позволило преодолеть это ограничение. Авторы работы использовали модели машинного обучения, чтобы лучше понять фазовые изменения воды. Им удалось обнаружить убедительные вычислительные доказательства в поддержку перехода воды из жидкости в жидкость, которые можно применить к реальным системам. Результаты исследования. опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Ученые при расчётах использовали квантово-химические вычисления, максимально приближенные к реальной физике. Проводилось молекулярное моделирование на суперкомпьютерах, сравниваемое с виртуальным микроскопом, позволяющим увеличить масштаб до отдельных молекул и наблюдать за их движением и взаимодействием в режиме реального времени. Так исследователи смогли охарактеризовать структуру жидкости при различных температурах и давлениях.
Ученые применили алгоритм машинного обучения для расчета энергии взаимодействия молекул воды. Эта модель выполняла вычисления значительно быстрее традиционных методов, что ускоряло виртуальные эксперименты. Прогнозы были проверены серией различных алгоритмов.
Главная сложность подобных исследований – сравнение полученных данных с реальными процессами. Некоторые условия виртуального эксперимента невозможно воспроизвести на Земле, но могут присутствовать в водных средах Солнечной системы: от океанов спутника Юпитера Европы до воды в центрах комет.
Новые данные позволят учёным глубже понимать и предсказывать необычные и сложные характеристики воды, а также оптимизировать её применение в промышленности и создавать более точные климатические модели.