محققان با کمک یادگیری ماشینی و شبیه‌سازی، به بررسی رفتار آب و یخ در یک نانوحفره پرداختند. دستاوردهای آن‌ها می‌تواند برای مطالعه آب در غول‌های یخی منظومه خورشیدی نیز استفاده شود.
مطالعه رفتار آب/یخ در نانوحفره و غول‌های یخی!
درک رفتار آب در نانوحفره‌ها هم برای توسعه علم و هم کاربردهای صنعتی اهمیت زیادی دارد. از این رو محققان دانشگاه سیتی هنگ کنگ (Cityu) به بررسی رفتار آب و یخ تحت فشار و دمای مختلف و همچنین در حالتی که به شدت محدودیت فضایی دارند، پرداختند. نتایج این یافته‌ها در قالب مقاله‌ای با عنوانRich proton dynamics and phase behaviours of nanoconfined ices در نشریه Nature Physics به چاپ رسیده است.
در این مقاله محققان نشان دادند که آب در شرایط خاص از رفتار طبیعی مشاهده شده در زندگی روزمره سرپیچی می‌کند. این یافته‌ها پتانسیل بالایی برای بهبود درک ما از خواص غیرمعمول آب در محیط‌های خاص دارد. از این یافته‌ها می‌توان برای حوزه مهندسی نانوسیالی استفاده کرد.
این تیم تحقیقاتی به رهبری زنگ شیائوچنگ، استاد گروه علوم و مهندسی مواد در Cityu، روش‌های محاسباتی پیشرفته را برای شبیه‌سازی خواص آب و یخ در شرایط با محدودیت بالا به کار گرفت. این گروه از طریق پتانسیل یادگیری ماشینی، جستجوهای ساختار کریستالی و مطالعه دینامیک مولکولی شبیه‌سازی‌های جامعی پیرامون رفتار آب به صورت تک لایه یا دولایه در محیط محدود شده نانویی انجام دادند. این شبیه‌سازی‌ها پدیده‌های پیچیده‌ای نظیر ذوب یخ به آب دو بعدی، شکستن مولکول آب و دینامیک پروتون در یخ نانویی را نشان داد. آن‌ها در این پروژه ده حالت یخ دوبعدی با پیکربندی‌های متقارن O-H-O را مشاهده کردند که بالاترین چگالی یخ سه‌بعدی بود که تا کنون مشاهده شده است. علاوه بر این، آن‌ها یخ‌های یونی و ابریونی را مشاهده کردند. از همه جالب‌تر این که حالت یخ دو بعدی را می‌توان در فشارهای بسیار پایین‌تر از حالت سه‌بعدی ایجاد کرد در حالی که دانسیته شبیه به آب داشته باشد که این کار امکان ایجاد آن را در محیط‌های آزمایشگاهی را فراهم می‌کند.
پروفسور زنگ بر اهمیت این یافته‌ها تأکید کرد و اظهار داشت که آن‌ها مرز جدیدی را در درک فیزیک و شیمی آب و یخ در شرایط با محدودیت بالا، به ویژه در هسته سیارات غول یخی نشان می‌دهند.
پروفسور زنگ گفت: «پتانسیل ایجاد این حالت‌های منحصر به فرد یخ و آب در آزمایشگاه، از جمله یخ یونی و ابریونی در فشارهای پایین بسیار جالب توجه است.»
کاوش در رفتار آب و یخ در شرایط مختلف، به ویژه هنگامی که در مقیاس نانومتری محدود می‌شوند، یک کار بسیار پیچیده است. این تیم تحقیق از طریق شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی این چالش را حل کرده و مجموعه‌ای از داده‌های مهم را ارائه کرده است. این یافته‌ها مسیر را برای مطالعه اسرار سیارات غول یخی و ویژگی‌های آب در آن‌ها هموار می‌کند.
