AI vừa giải mã thành công bí ẩn ngàn năm của nước

Dù bao phủ phần lớn Trái Đất, nước vẫn liên tục làm đau đầu các nhà khoa học bởi những hành vi khác biệt hoàn toàn so với mọi chất lỏng khác. Đặc tính kỳ lạ nổi tiếng nhất của nước là hiện tượng giãn nở ra thay vì co lại khi đóng băng, điều từ lâu được kết nối với những thay đổi cấu trúc vi mô theo nhiệt độ và áp suất. Tuy nhiên, giới khoa học trước đây vẫn thiếu một phương pháp nhất quán để đo lường và so sánh các thay đổi đó cho đến khi có sự xuất hiện của AI.

Hình minh họa.

Giải mã ma trận phân tử của nước siêu lạnh bằng mạng thần kinh nhân tạo

Mới đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Osaka đã tìm ra lời giải bằng cách ứng dụng trí tuệ nhân tạo, công bố trên tạp chí Communications Chemistry. Họ đã giới thiệu một khung hệ thống dựa trên AI nhằm đánh giá và so sánh các phương thức mô tả cấu trúc của "nước siêu lạnh". Đây là trạng thái bất thường khi nước vẫn giữ được thể lỏng dù đã bị làm lạnh xuống dưới nhiệt độ đóng băng thông thường do thiếu đi các vị trí tạo mầm tinh thể.

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng những hành vi bất thường của nước thể hiện rõ rệt nhất ở chính trạng thái siêu lạnh này. Một giả thuyết hàng đầu cho rằng nước siêu lạnh liên tục chuyển đổi qua lại giữa hai cấu trúc chất lỏng cạnh tranh nhau gồm: chất lỏng mật độ cao (HDL) và chất lỏng mật độ thấp (LDL). Sự dịch chuyển này được quyết định bởi mạng lưới liên kết hydro luôn thay đổi, trong đó cấu trúc HDL nhỏ gọn sẽ chiếm ưu thế khi nhiệt độ tăng lên.

Trước đây, việc xác định chất mô tả nào phản ánh rõ nhất hành vi của nước gặp rất nhiều khó khăn do các phép đo như trật tự liên kết tứ diện hay mật độ cục bộ sử dụng các thang đo độc lập. Để giải quyết, nhóm nghiên cứu đã tích hợp mô hình mạng thần kinh nhân tạo nhằm đánh giá chính xác dữ liệu cấu trúc thu được từ mô phỏng động lực học phân tử. Qua quá trình thử và sai lặp đi lặp lại, mạng thần kinh đã học được cách nhận biết các mô hình thông tin cốt lõi.

Hình minh họa sơ đồ của nghiên cứu AI dự đoán nhiệt độ từ cấu hình phân tử của nước.

Kết quả thực nghiệm cho thấy mạng lưới AI đã so sánh xuất sắc cách 16 chất mô tả phân biệt giữa cấu trúc LDL và HDL ở các mức nhiệt độ khác nhau để tìm ra chất hiệu quả nhất. Khung hệ thống này hứa hẹn nâng cao hiểu biết về mối liên kết giữa thay đổi cấu trúc vi mô và hành vi nhiệt động lực học của nước. Công trình đột phá không chỉ giải thích nguồn gốc các đặc tính bất thường của nước mà còn định hướng phát triển các công cụ nghiên cứu hóa học tương lai.