يتطلب البقاء على قيد الحياة على المستوى الخلوي وجود الماء ولكن كي تتوقع كيفية تحرك الماء H2O السائل عبر الأنابيب على مستوى الجزيئات يتطلب ذلك مستوى من المحاكاة يتجاوز قدرات أقوى الحواسيب الموجودة حالياً.
دراسة خصائص الماء الكهربائية
لذلك لجأ باحثون في الولايات المتحدة إلى التعلم الآلي لفهم كيف تتغير الخصائص الكهربائية للماء عندما يُحاصر داخل أسطوانات بحجم النانومتر مصنوعة من الكربون النقي، ولا تدع البساطة الظاهرة للماء تخدعك، فداخل كل جزيء هناك أكسجين واحد يفرض سيطرته على الهيدروجينين المرافقين له من خلال الاستحواذ على أكبر قدر من الوقت الإلكتروني، مسببا عدم توازن في الشحنة يُعرف باسم ثنائية القطب.
خصائص الماء غير العادية
هذا التوازن غير المستقر يمنح الماء مجموعة من الخصائص غير العادية، مما يجعله يلتصق ببعضه بطرق تفسر التوتر السطحي، أو ينتشر في تشكيلات متنوعة عند تجمده إلى جليد، وعندما يُحاصر الماء داخل أنبوب نانوي كاره للماء بحجم صغير جداً، تتعزز تفاعلات الجزيئات مع الحقل الكهربائي بفضل التقييد.
تشكيل السائل المحصور للحقول الكهربائية
يقول المؤلف الرئيسي ماركوس كاليجاري أندرادي، عالم المواد في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL): "من الضروري فهم قدرة السائل المحصور على تشكيل الحقول الكهربائية وكيف يختلف هذا عن البيئة العامة، إن الفهم الأفضل للاستجابة العازلة للماء المحصور مهم ليس فقط لتطوير تقنيات الفصل ولكن أيضا لتطبيقات ناشئة أخرى، مثل تخزين وتحويل الطاقة."
تأثير العزل الكهربائي للماء
يصف تأثير العزل الكهربائي كيفية استجابة المواد مثل الماء للحقول الكهربائية، وبينما تنقل المواد الموصلة مثل الأسلاك النحاسية الشحنات الكهربائية في شكل تيار، فإن مكونات المواد العازلة تدور لتتوافق بطرق تتفاعل مع الحقل الكهربائي الأوسع.
اكتشافات جديدة حول الماء في الأنابيب النانوية
كشف تكديس جزيئات الماء داخل أنابيب نانوية كربونية قطرها أقل من 10 نانومتر عن مراحل جديدة من الماء، وأظهرت أنها تسهل نقل البروتونات بسرعة أكبر عبر سلاسل جزيئات الماء أحادية الأبعاد، كما أن التوسيع في حجم المسام قد أشار أيضا إلى تكوين هياكل جليدية غير مرئية في أجسام الماء الأكبر.
استخدام التعلم الآلي لتحسين النماذج
تطبيق إطار نظري لشرح هذه النتائج التجريبية ليس بالأمر السهل، فمن الممكن بناء صورة نسبية كاملة عن السلوك الجزيئي من خلال بناء محاكاة من المبادئ الأولى، ولكن فقط لبضع مئات من الذرات على مدار فترات زمنية قصيرة جدا.
لتحديد الثوابت العازلة التي تعمل في اتجاهات أخرى داخل الحجرة، قام الباحثون بتشغيل المبادئ الأساسية من خلال عملية تعلم آلي، وهذا سمح برسم صورة أكثر اكتمالاً تتضمن تأثيرات الكم لحساب الطاقة المحتملة ووصف حركة الجزيئات الفردية.
نتائج المحاكاة والفوائد المستقبلية
كشفت محاكاتهم عن بنية إلكترونية لم تكن واضحة تحت المحاكاة التقليدية، والتي تنشأ موازية لجدران الأنبوب على طول محور عمود الماء، وفي محاكاتهم، زاد الثابت العازل على محور الأنابيب الكربونية مع صغر قطر الأنابيب، وبلغ ذروته عند 0.79 نانومتر، حيث تُجبر جزيئات الماء على الاصطفاف في خط واحد
قد يوفر رسم خرائط لتعزيز تأثير الماء العازل في هذه المقاييس الصغيرة لعلماء الأحياء الجزيئية أدلة حيوية على تدفق الماء ومواد أخرى عبر القنوات الخلوية الصغيرة، أو يساعد الباحثين في تصميم أدوية قد تعمل بشكل أكثر فعالية في الحلول المحصورة في مساحات صغيرة.
