Mỹ sử dụng máy học để nghiên cứu kỹ hơn về nước

Nước đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều thập kỷ, bài đăng ngày 19/12 của trang Smart Water Magazine cho hay.

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, họ đã giả thuyết rằng khi làm lạnh xuống nhiệt độ rất thấp như -100°C, nước có thể phân tách thành hai pha lỏng có mật độ khác nhau. 

Giống như dầu và nước, các pha này không trộn lẫn với nhau và có thể giúp giải thích một số hành vi kỳ lạ khác của nước, chẳng hạn như cách nước trở nên loãng hơn khi nguội đi.

Tuy nhiên, gần như không thể nghiên cứu hiện tượng này trong phòng thí nghiệm được vì nước kết tinh thành băng rất nhanh ở nhiệt độ thấp như vậy. 

Giờ đây, nghiên cứu mới từ Viện Công nghệ Georgia (Georgia Tech) sử dụng các mô hình máy học đã mở ra nhiều cách thức để hiểu rõ hơn về mặt lý thuyết của các chất khác nhau. 

Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng tính toán mạnh mẽ hỗ trợ quá trình chuyển đổi chất lỏng-lỏng của nước mà có thể được áp dụng cho các hệ thống sử dụng nước để vận hành trong thế giới thực sử dụng nước để vận hành.

Thomas Gartner, trợ lý giáo sư tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử tại Georgia Tech cho biết: "Chúng tôi đang thực hiện các tính toán hóa học lượng tử rất chi tiết để cố gắng sát nhất có thể với lỹ tính và hóa tính thực của nước. Đây là lần đầu tiên người ta có thể nghiên cứu quá trình chuyển đổi này với mức độ chính xác như vậy".

Nghiên cứu đã được trình bày trong bài báo "Sự chuyển đổi chất lỏng-lỏng trong nước từ những nguyên lý đầu tiên" trên tạp chí Physical Review Letters, với các đồng tác giả ở Đại học Princeton.

Để hiểu rõ hơn về cách nước tương tác, các nhà nghiên cứu đã chạy các mô phỏng phân tử trên siêu máy tính, mà Gartner so sánh với một kính hiển vi ảo.

Ông nói: "Nếu bạn có một chiếc kính hiển vi cực mạnh, bạn có thể phóng to đến từng phân tử riêng lẻ và quan sát cách chúng di chuyển và tương tác trong thời gian thực. Đây là những gì chúng tôi đang làm bằng cách tạo ra gần như một bộ phim điện toán".

Các nhà nghiên cứu đã phân tích cách các phân tử di chuyển và mô tả cấu trúc chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất nước khác nhau, mô phỏng sự phân tách pha giữa chất lỏng có mật độ cao và mật độ thấp. 

Họ đã sử dụng thuật toán máy học để tính toán năng lượng khi các phân tử nước tương tác với nhau. Mô hình này thực hiện phép tính nhanh hơn đáng kể so với các kỹ thuật truyền thống, cho phép các mô phỏng tiến triển hiệu quả hơn nhiều.

Một trong những thách thức với các nhà nghiên cứu là không có nhiều dữ liệu để so sánh, vì đó là một vấn đề gần như không thể nghiên cứu bằng thực nghiệm, Gartner nói.

Một số điều kiện mà các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm là những điều kiện khắc nghiệt có thể không tồn tại trực tiếp trên Trái đất, nhưng có khả năng tồn tại trong các môi trường nước khác nhau ở hệ Mặt Trời, từ các đại dương của mặt trăng Europa ở Sao Mộc đến nước ở trung tâm các sao chổi.

Tuy nhiên, những phát hiện này cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu giải thích và dự đoán tốt hơn tính chất hóa lý phức tạp và kỳ lạ của nước, cung cấp thông tin về việc sử dụng nước trong các quy trình công nghiệp, phát triển các mô hình khí hậu tốt hơn, v.v.

Nước là một lĩnh vực đã được nghiên cứu rất nhiều rồi, nhưng phương pháp này có thể được mở rộng sang các vật liệu khó mô phỏng khác như polyme hoặc các hiện tượng phức tạp như phản ứng hóa học.

Gartner cho biết họ vẫn chưa biết được giới hạn của kỹ thuật tính toán mới mạnh mẽ này, và còn rất nhiều cơ hội để phát triển lĩnh vực này.