Voda je ključna za preživljavanje, čak i na ćelijskom nivou.

Predviđanje kako tečnost H2O prolazi kroz molekularne kanale zahteva simulacije koje trenutno preopterećuju i najmoćnije računare.

Zato su istraživači u SAD-u koristili mašinsko učenje da bi otkrili kako se električna svojstva vode menjaju kada je zarobljena unutar nanometarskih cilindra napravljenih od čistog ugljenika.

Nemojte da vas voda zavarava svojom naizgled jednostavnošću. Unutar svake molekula nalazi se jedan kiseonik koji dominira nad svojim vodoničnim pratilacima, što stvara neravnotežu u naelektrisanju poznatu kao dipol.

Ova neravnoteža daje vodi njen jedinstven set osobina, omogućavajući joj da se labavo drži zajedno na način koji objašnjava površinsku napetost, ili da se širi u različite oblike kada se smrzne u led.

Upakovane unutar hidrofobnih karbonskih nanocilindra, koje bi običan virus mogao smatrati idealnim za šolju kafe, molekuli vode povećavaju interakcije sa električnim poljem zahvaljujući svom zatvorenom okruženju.

Tačno razumevanje kako i zašto se ovo dešava još uvek nije potpuno opisano.

„Neophodno je razumeti sposobnost zatvorene tečnosti da blokira električna polja i kako se to razlikuje od okoline u velikoj količini,“ kaže glavni autor Marcos Calegari Andrade, naučnik za materijale iz Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

„Poboljšano razumevanje dielektričnog odgovora zatvorene vode je važno ne samo za unapređenje tehnologija separacije, već i za druge nove primene, kao što su skladištenje i pretvorba energije.“

Dielektrični efekat opisuje kako materijali kao što je voda reaguju na električna polja. Dok provodnici poput bakarnih žica prenose električne naelektrisane komponente u obliku struje, naelektrisani delovi dielektričnih materijala se okreću kako bi se uskladili sa širim električnim poljem.

Pakovanje molekula vode u karbonske nanocilindre promjera manjih od 10 nanometara otkrilo je nove faze vode u prošlosti i pokazalo je da omogućava daleko brži prenos protona duž jednodimenzionalnih lanaca molekula vode.

Proširenje veličine pora takođe je ukazalo na formiranje struktura leda koje se ne bi pojavile u većim količinama vode.

Međutim, primena teorijskog okvira za objašnjenje ovih eksperimentalnih rezultata nije jednostavna. Moguće je izgraditi relativno potpuni prikaz molekularnog ponašanja iz temelja, ali samo za nekoliko stotina atoma u vremenskim intervalima od vrlo malih delova sekunde.

Da bi se utvrdili dielektrični konstanti koji deluju u drugim pravcima kroz komoru, istraživači su primenili osnovne principe kroz proces mašinskog učenja. Ovo je omogućilo detaljniju sliku koja uključuje kvantne efekte za izračunavanje potencijalne energije i opisivanje „molekularnog talasanja“ pojedinačnih molekula.

Njihov pristup otkrio je elektronsku strukturu koja ne bi bila očigledna pod konvencionalnim simulacijama, strukturu koja se gradi paralelno sa zidovima cevi koje se protežu duž osi vodene kolone.

U njihovoj simulaciji, dielektrični konstant duž ose ugljenikovih nanotubusa povećavao se kako se prečnik cevi smanjivao. Dostigao je vrhunac na 0,79 nanometara, gde su molekuli vode prisiljeni da se poređaju u jednom redu.

Mapiranje poboljšanja dielektričnog efekta vode na ovim malim razmerama moglo bi pružiti molekularnim biologima važne tragove o protoku vode i drugih materijala kroz male ćelijske kanale, ili pomoći istraživačima da prilagode farmaceutske proizvode koji bi mogli bolje da funkcionišu u rastvorima zatvorenim u malim prostorima.

„Osnovna istraživanja efekta zatvaranja na dielektrični konstant vode su korisna za razumevanje i poboljšanje trenutnih tehnologija,“ kaže Anh Pham, računarski materijalni naučnik u LLNL.