Вода первых принципов

Среди химиков ходит байка о том, что Д.И. Менделеев, налив на лекции стакан воды, иногда спрашивал, сколько там молекул. Решение не состояло в подсчете их числа по объему и плотности. Правильный ответ: «Сколько изволите». В том смысле, что вода будет вести себя по-разному в разных условиях, иногда как единая структурная единица, фактически одна большая молекула. Объяснение свойств воды лишь на основе молекулярных представлений бывает сильным упрощением.

Несмотря на это, ученые давно пытаются вывести многообразие качеств воды, в частности разнообразие ее фаз, из законов взаимодействия ее молекул и их агрегатов, что называется, из первых принципов. Не стала исключением и работа межуниверситетской команды ученых под началом профессора Технологического института Джорджии Томаса Гартнера (Thomas Gartner), чья статья появилась в середине декабря прошлого года в журнале Physical Review Letters.

Уже три десятилетия ученые обсуждают идею о том, что при остывании до минус 100ºC вода должна разделяться на две несмешивающиеся жидкости. Авторы работы теоретически исследовали образование двух фаз разной плотности при фазовом переходе первого рода в сильно переохлажденной воде. Теоретики применили нейронную сеть, обученную на результатах расчетов по теории квантового функционала плотности. Так сказать, теория поверх теории. Искусственный интеллект позволил рассчитать энергию взаимодействия молекул между собой и подтвердил существование двух фаз.

Профессор Гартнер гордо заявляет, что его группа первой в мире с такой высокой точностью провела на суперкомпьютере расчеты взаимодействия молекул воды при разных температурах и давлениях. Профессор говорит, что, хотя их проблему «почти невозможно изучить экспериментально», ученые «существенно раздвинули границы ее понимания». При этом он считает, что сосуществование водных фаз вполне возможно на Европе, далеком спутнике Юпитера, где, вероятно, есть подходящие условия. Авторы полагают, что их методологию компьютерного расчета можно применить к другим веществам, например полимерам.

Physical Review Letters, 2022; 129 (25)