AI giải mã bí ẩn trăm năm: Tại sao nước lại nở ra khi đóng băng?

Theo tin từ IT ngày 25 tháng 7, Đại học Osaka (Nhật Bản) đã đăng tải một bài viết vào ngày 6 tháng 7, trong đó nhóm nghiên cứu của họ đã sử dụng các mô hình AI để khám phá bí ẩn trăm năm của nước và tìm ra "kính hiển vi" tối ưu để quan sát các phân tử nước.

Nghiên cứu này đã đánh giá một cách hệ thống 16 phương pháp mô tả cấu trúc phân tử khác nhau, từ đó xác định thành công "kính hiển vi" có khả năng nắm bắt chính xác nhất những thay đổi vi mô của phân tử nước ở các mức nhiệt độ và áp suất khác nhau, cung cấp một khung khoa học thống nhất để hiểu về hiện tượng nước nở ra khi đóng băng cũng như các hành vi bất thường của nước siêu lạnh (supercooled water).

Bài viết chỉ ra rằng nước là chất lỏng phong phú nhất trên bề mặt Trái đất, nhưng khác với các chất lỏng khác, nước sẽ nở ra khi đóng băng. Các lý thuyết hiện tại cho rằng những hiện tượng bất thường này của nước có liên quan đến cấu trúc vi mô của nó, vốn thay đổi theo nhiệt độ và áp suất, nhưng trước đây vẫn thiếu một phương án đặc tả mang tính hệ thống.

Nhóm nghiên cứu của Phó giáo sư Kang Kim tại Đại học Osaka đã nhờ đến sự hỗ trợ của các mô hình AI để thực hiện đánh giá so sánh hiệu năng một cách nghiêm ngặt đối với 16 phương pháp mô tả cấu trúc phân tử, từ đó giải mã thành công bài toán đánh giá trật tự cục bộ của phân tử nước, đồng thời làm rõ quá trình tiến hóa của các trạng thái lỏng cạnh tranh trong nước.

Báo cáo nghiên cứu chỉ ra rằng để nước đóng băng, các phân tử cần được sắp xếp một cách có trật tự thành các mạng tinh thể giống như băng. Các phân tử cần bám vào một bề mặt được gọi là nucleation site (điểm tạo nhân) thì mới có thể chuyển sang trạng thái rắn. Các tạp chất trong nước hoặc những vết xước bên trong vật chứa đều có thể đóng vai trò là nucleation site.

Trong các vật chứa sạch và nhẵn, nước có thể được làm lạnh xuống dưới điểm đóng băng mà không bị đông đặc, trạng thái này được gọi là nước siêu lạnh (supercooled water). Nghiên cứu cho rằng cơ chế nền tảng dẫn đến các đặc tính vật lý bất thường của nước nằm ở sự cạnh tranh giữa cấu trúc "chất lỏng mật độ cao (HDL)" và "chất lỏng mật độ thấp (LDL)" trong nước siêu lạnh; khi nhiệt độ tăng lên, các cấu trúc HDL bị sụp đổ sẽ xuất hiện nhiều hơn so với các cấu trúc LDL mở.

IT đính kèm địa chỉ tham khảo

Out of order: using AI to decode the bizarre personality of water

Machine learning evaluation of structural descriptors for supercooled water

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết chuyển hướng bên ngoài có trong bài viết (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, giúp tiết kiệm thời gian lựa chọn, kết quả chỉ mang tính chất tham khảo. Tất cả các bài viết trên IT đều bao gồm tuyên bố này.