Inteligência Artificial valida teoria de 30 anos sobre a água como dois líquidos distintos

Pesquisadores utilizam inteligência artificial para comprovar teoria sobre a estrutura da água.

A água que consumimos pode, surpreendentemente, existir em duas formas diferentes ao mesmo tempo, uma teoria que vem sendo debatida há três décadas, mas que agora ganhou suporte molecular com a ajuda da inteligência artificial.

Recentemente, um estudo realizado por cientistas da Universidade da Cidade de Hong Kong, liderados pelo químico físico Xiao Cheng Zeng, trouxe à luz evidências que sustentam essa hipótese. A pesquisa foi publicada na renomada revista científica Nature Physics.

A teoria dos dois líquidos

A ideia de que a água pode alternar entre duas estruturas moleculares, uma de alta densidade e outra de baixa densidade, é uma proposta que busca explicar os comportamentos anômalos da água. Essa troca invisível poderia ser a chave para entender fenômenos como a flutuação do gelo e a resistência da água a variações de temperatura.

Ao contrário da maioria dos líquidos, que se tornam mais densos ao esfriar, a água apresenta um comportamento peculiar: ela se expande a partir de 4°C. Isso explica por que o gelo flutua. Além disso, a água mantém sua viscosidade sob pressões específicas e resiste a mudanças de temperatura de maneira incomum, todos esses fenômenos podem estar interligados.

Zeng destacou a dificuldade em visualizar essa complexidade, mencionando que, apesar de existirem estudos sobre o tema, faltavam evidências concretas.

O papel da IA

Para descobrir essas evidências, a equipe utilizou técnicas de aprendizado profundo não supervisionado, permitindo que a inteligência artificial identificasse padrões nos dados sem diretrizes prévias. O pesquisador Liwen Li conduziu simulações de dinâmica molecular, utilizando um software avançado para rastrear o movimento de centenas de milhares de moléculas de água, gerando uma quantidade imensa de dados.

Zeng comentou que, tradicionalmente, esse tipo de análise exigiria uma equipe considerável de estudantes, mas com o auxílio da IA, Li conseguiu realizar o trabalho em aproximadamente um ano e meio, enquanto sem essa tecnologia, a tarefa poderia ter levado até dez anos.

Dois caminhos pela montanha

A inteligência artificial foi capaz de identificar as “coordenadas de reação”, que descrevem como a estrutura de uma molécula de água muda entre suas duas formas. A equipe então mapeou os caminhos que essas transformações podem seguir.

Em sua maioria, a troca ocorre por um caminho “semiciclo”, onde as moléculas enfrentam uma única barreira de energia. No entanto, nas proximidades da transição entre as duas densidades, as moléculas podem seguir um caminho mais complexo, com três barreiras distintas a serem superadas.

Zeng fez uma analogia com caminhantes em uma montanha: enquanto a maioria opta por um caminho mais suave, aqueles que se aproximam da fronteira entre as duas formas de água podem ter que contornar obstáculos maiores.

Por que importa

Compreender a estrutura molecular da água pode ter implicações significativas para o comportamento de sais, proteínas e moléculas de medicamentos em soluções aquosas, onde ocorrem muitos processos biológicos e farmacêuticos.

Zeng enfatizou a importância dessas interações para o desenvolvimento de medicamentos injetáveis e o funcionamento celular. Embora a aplicação prática dos resultados ainda esteja em fase inicial, a base científica para essa pesquisa foi solidificada.

A equipe agora se dedica ao aprimoramento de um modelo de aprendizado de máquina mais rigoroso para validar seus achados e vinculá-los a propriedades mensuráveis, como densidade, viscosidade e temperatura.