Her gün içtiğimiz su aslında tek bir sıvı değilmiş

Hayatın kaynağı olarak kabul ettiğimiz su, mikroskobik seviyede tahmin edilenden çok daha karmaşık bir doğaya sahip. Bilim dünyası, suyun moleküler düzeyde tek bir sıvı formunda bulunmadığını, aksine sürekli birbiri yerine geçen iki farklı sıvı yapısından oluşabileceğini uzun süredir öngörüyordu. Bu yapılardan biri yüksek yoğunluğa sahipken, diğeri daha gevşek bir form sergiliyor. Ancak bu hızlı moleküler dönüşümün somut kanıtlarını yakalamak bugüne kadar neredeyse imkansız kabul edildi. Nature Physics dergisinde yayımlanan yeni bir çalışma ise, yapay zeka teknolojisi sayesinde bu gizemli dönüşümün ilk kesin kanıtlarını ortaya koydu.

Bu keşif, suyun yüzyıllardır açıklanamayan tuhaf davranışlarını da mantıklı bir çerçeveye oturtuyor. Çoğu sıvı soğudukça yoğunlaşırken, su 4 santigrat dereceye kadar yoğunlaşıp bu noktadan sonra genleşmeye başlar. Buzun su üzerinde batmadan yüzebilmesi de tamamen bu döngü sayesinde gerçekleşir. Ayrıca su, sıcaklık değişimlerine karşı güçlü bir direnç gösterir ve belirli basınçlar altında akışkanlığı azalır. Bilim dünyası, bu anomalileri açıklamak için uzun süredir "iki durumlu model" adı verilen teoriyi bir çıkış yolu olarak görüyordu.

Yapay zeka on yıllık analizi bir buçuk yıla indirdi

Hong Kong Şehir Üniversitesi'nden fiziksel kimyager Profesör Xiao Cheng Zeng, bu teoriyi incelemenin geçmişte çok zor olduğunu ancak aşırı soğutulmuş suyun iki farklı forma bölünebileceğine dair verilerle sürecin hızlandığını belirtiyor. Laboratuvardaki ekibiyle klasik yöntemleri bir kenara bırakan Zeng, yapay zekanın "denetimsiz derin öğrenme" modelinden faydalandı. Bu modelde sisteme neyi araması gerektiği söylenmedi ve yapay zeka verilerdeki gizli kalıpları kendi kendine keşfetti. Milyonlarca su molekülünün hareketini izleyen devasa simülasyonlar sonucunda on milyonlarca veri noktası oluştu. Geleneksel yöntemlerle onlarca öğrencinin neredeyse 10 yılını alabilecek bu devasa analiz süreci, yapay zeka desteğiyle sadece bir buçuk yılda tamamlandı. Yapay zeka, moleküllerin sıkı ve gevşek yapılar arasındaki geçiş yollarını belirleyen kritik değişkenleri damıtıp bilim insanlarının önüne koydu.

Moleküllerin dağ patikasındaki dolambaçlı yolu

Araştırma ekibi, elde edilen verileri haritalandırdığında bu iki yapının birbirine dönüşürken izlediği yolların ortam koşullarına göre değiştiğini fark etti. Moleküller normal zamanlarda tek bir enerji engelini aşarak "yarım döngü" adı verilen kısa bir yoldan geçiyor. Ancak suyun donma noktası gibi kritik eşiklerde, moleküller üç farklı enerji bariyerini aşmak zorunda kaldıkları çok daha dolambaçlı bir "tam döngü" rotasına sapıyor. Profesör Zeng bu durumu, ortadan ikiye bölünmüş bir dağda yürüyüş yapmaya benzetiyor. Bir tarafta dik bir uçurum, diğer tarafta ise yumuşak bir yamaç yer alıyor. Çoğu zaman yumuşak yamaç seçilse de iki yarının birleştiği sınıra gelindiğinde dağ adeta bütünleşiyor ve zirvenin etrafında tam bir tur atma imkanı doğuyor.

Bu modelin gerçek su örneklerinde de kesin olarak kanıtlanması için laboratuvarlarda çok daha hassas yeni deneysel tekniklerin geliştirilmesi gerekecek. Bilim insanları, yapay zeka yardımıyla ortaya çıkarılan bu modelin gelecekte doğadaki su etkileşimlerini anlamada hayati bir rol oynayacağını düşünüyor. Özellikle biyolojik süreçlerin ve ilaç üretim aşamalarının neredeyse tamamı su içinde gerçekleştiği için, bu moleküler yapıyı tam olarak çözmek, çözünmüş tuzların, proteinlerin ve ilaç moleküllerinin hücre içinde nasıl reaksiyona girdiğine de ışık tutacak. Bu bilgilerin günlük hayattaki pratik uygulamalara ve tıbbi üretime tam anlamıyla yansıması için önümüzde hala uzun bir yol bulunsa da suyun gizemli doğasını anlamak adına artık çok daha güçlü bir haritaya sahibiz.