Suyun Şaşırtıcı Özelliği: Aynı Anda İki Farklı Sıvı Halde Bulunabiliyor
Bilim insanları suyun aşırı basınç ve soğuk sıcaklıklar altında iki farklı sıvı faza ayrılabildiğini keşfetti. Bu durum onlarca yıl önce teorize edilmişti ancak şimdiye kadar hiç kanıtlanmamıştı.
Yapay zeka ve kuantum mekaniğinden yararlanan gelişmiş moleküler simülasyonlar, bu zor davranışı modellemeyi mümkün kılarak malzeme bilimi ve çevre teknolojisinde gelecekteki potansiyel uygulamalara işaret ediyor.
Suyun Eşsiz Doğası
Su gerçekten eşsiz bir maddedir. Normal koşullar altında aynı anda hem katı, hem sıvı, hem de gaz olarak bulunabilen az sayıdaki maddeden biridir – örneğin, bir göletin üzerinde yüzen buzu, altında sıvı suyu ve üzerinde bulutlar oluşturan su buharını düşünün. Ayrıca, katı hali olan buzun sıvı halinden daha az yoğun olması ve bu yüzden yüzmesi de alışılmadık bir durumdur.
Şimdi, California San Diego Üniversitesi’ndeki araştırmacılar suyun dikkat çekici bir başka özelliğini daha ortaya çıkardılar. Aşırı basınç ve düşük sıcaklıklar altında sıvı su, biri diğerinden daha yoğun olmak üzere iki farklı sıvı faza ayrılabiliyor. Nature Physics dergisinde yayınlanan bu keşif, suyun karmaşık davranışına yeni bir bakış açısı getiriyor.
Moleküler Modelleme: Yeni Bir Yaklaşım
UC San Diego’da kimya ve biyokimya profesörü olan Francesco Paesani, gelişmiş moleküler davranış modelleri geliştirmek için kimya, fizik ve bilgisayar bilimlerini birleştiren bir ekibe liderlik ediyor. Makine öğrenimi ve hesaplama algoritmalarını kullanan grubu, deneysel gözlemlerle yakından eşleşen son derece gerçekçi simülasyonlar oluşturuyor.
Paesani, “Su modelimiz o kadar gerçekçi ki neredeyse içebilirsiniz” dedi.
Aşırı soğutulmuş suyun moleküler dinamiğinin simülasyonu. Kredi: Pasesani grubu / UC San Diego
Suyun Kritik Noktası Ortaya Çıktı
Sıvıların çoğu homojendir – hepsi birlikte akar ve bir sıvı molekülünü diğerinden ayırt edemezsiniz. Aslında bu çoğunlukla su için geçerlidir. Ancak 1992 yılında araştırmacılar, belirli bir sıcaklık ve basınçta sıvı suyun artık homojen olmayacağı kritik bir noktaya ulaşacağı teorisini ortaya attılar.
Paesani’nin ekibi, suyun kendiliğinden yüksek yoğunluklu ve düşük yoğunluklu sıvılara ayrılması için sıcaklığın yeterince düşük (198 Kelvin veya -103 Fahrenheit) ve basıncın yeterince yüksek (1.250 atmosfer) olduğu kritik noktayı ortaya çıkaran simülasyonlar gerçekleştirdi.
Bu kritik noktada su, yüksek ve düşük yoğunluklu fazlar arasında vahşi salınımlar sergiler. Bu basıncın altında su düşük yoğunluklu faza geri döner; üstünde ise tamamen yüksek yoğunluklu faza geçer. Bu, moleküler düzeyde ortaya çıkan beklenmedik bir olgudur.
Hesaplamalı Modellerin Geliştirilmesi
1992 yılındaki simülasyon çok kabaydı. O zamandan beri araştırmacılar bu spontane ayrışmayı deneysel olarak yaratmaya çalıştılar, ancak başarılı olamadılar. Son otuz yılda, hesaplamalı modellemedeki gelişmeler daha ayrıntılı, doğru simülasyonları mümkün kıldı – özellikle Paesani’nin grubunun uzmanlaştığı veri odaklı çok cisim potansiyellerinin ortaya çıkışı.
Paesani grubu tarafından geliştirilen veri güdümlü çok cisimli su modeli (MB-pol), yüksek seviyeli kuantum mekaniksel hesaplamalar (veri güdümlü) üzerine eğitilmiştir ve tüm bir sistemin enerjisini bir kerede hesaplamak yerine, enerjiyi bireysel katkılar (çok cisim) açısından ayrıştırmaktadır. Bu referans enerjiler, daha sonra tüm faz diyagramı boyunca suyun gerçekçi simülasyonlarını sağlayabilen bir makine öğrenimi modeline beslenir.
Kuantum Seviyesinde Suyu Anlamak
Paesani MB-pol modelini şu şekilde açıklıyor: Bir odada yalnız olan bir kişi belirli bir şekilde davranır. Odaya başka biri girerse, ilk kişinin davranışı ikinci kişiye uyum sağlamak için değişir. Üçüncü bir kişi girerse, ilk iki kişinin dinamiği değişir. Odada o kadar çok insan vardır ki, bir kişinin daha eklenmesi tek bir kişinin davranışını önemli ölçüde etkilemez.
MB-pol bu şekilde çalışır. Kısa aralıkta, tıpkı bir kişinin diğerinin davranışını etkilemesi gibi, su moleküllerinin davranışını doğrudan değiştiren kuantum mekaniksel etkiler vardır. Ancak, belli bir noktada etkilerin tüm sistem üzerinde ortalaması alınır, tıpkı zaten kalabalık olan bir odaya bir kişi daha eklemenin başka bir bireyin davranışını etkilememesi gibi.
Süper Bilgisayarlar ve Araştırmanın Geleceği
“Kuantum mekanik simülasyonları son derece pahalı olabilir. Beş ya da altı su molekülünün enerjisini hesaplayabilirsiniz. MB-pol ve makine öğrenimini kullanan yöntemimiz, simülasyonları birkaç mikrosaniyeye kadar çalıştırmamızı sağlıyor,” diyor Paesani. “Bu, hesaplamalı moleküler bilimcilerin uzun zamandır hayalini kurduğu bir şey.”
Ancak bu keşif hiç de kolay olmadı. Bu araştırma için simülasyonları çalıştırmak, UC San Diego’nun yeni Bilgisayar, Bilgi ve Veri Bilimleri Okulu’nun bir ayağı olan San Diego Süper Bilgisayar Merkezi’ndeki Expanse de dahil olmak üzere dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından bazılarını kullanarak yaklaşık iki yıl kesintisiz hesaplamalar gerektirdi.
Sentetik Sıvılar ve Gelecekteki Olasılıklar
Gelecekte, teknoloji geliştikçe, Paesani bu araştırmanın su gibi benzer bir sıvı-sıvı geçişine uğrayan, ancak bunu günlük koşullarda yapabilen sentetik sıvılar tasarlamak için kullanılabileceğini umuyor. Düşük yoğunluktan yüksek yoğunluğa geçebilen gözenekli sıvılar süngerlere benzer şekilde davranacak ve kirleticileri yakalamak veya suyun tuzdan arındırılmasına yardımcı olmak için kullanılabilecek.
Paesani, “Simülasyon neredeyse iki yıl sürdü, dolayısıyla bu gerçekten heyecan verici bir başarı” dedi. “Tahminimizin çok gerçekçi olduğunu düşünüyorum. Şimdi tahminlerimizin doğru olup olmadığını görmek deneysel araştırmacılara düşüyor.”
Deneysel Kanıtlama Zorluğu
Şu anda, bu koşulları bir laboratuvarda yeniden yaratmak bir zorluk olmaya devam etmektedir. Ancak nanodamlacık teknolojisi, yüzey gerilimi yoluyla yüksek iç basınç oluşturan küçük su damlacıkları yaratarak ileriye dönük bir yol sunabilir ve potansiyel olarak bu fenomenin deneysel olarak doğrulanmasına yol açabilir.
Şimdilik bu keşif, bilim insanlarının uzun süredir şüphelendiği ancak hiçbir zaman doğrudan gözlemleyemediği bir olguya ilişkin en doğru tahmini sunuyor. Ve o gün geldiğinde, su hakkındaki düşüncelerimizi sonsuza dek değiştirebilir.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Bilim İnsanları Dünyanın Hayati Öneme Sahip Yeraltı Suyunun Nasıl Yenileneceğini Açıkladı