KI entschlüsselt Geheimnis von supergekühltem Wasser

Wasser bedeckt den Großteil der Erdoberfläche, doch es verhält sich anders als fast jede andere Flüssigkeit. Eine seiner ungewöhnlichsten Eigenschaften: Es dehnt sich aus, wenn es gefriert, statt sich zusammenzuziehen. Wissenschaftler führen diese Besonderheiten auf Veränderungen in der mikroskopischen Struktur des Wassers zurück – also darauf, wie die Moleküle angeordnet sind. Bislang fehlte jedoch eine einheitliche Methode, um diese Strukturveränderungen zu beschreiben und zu vergleichen.

Forscher der Universität Osaka haben nun Künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt, um dieses Problem zu lösen. Ihr KI-System bietet eine einheitliche Möglichkeit, verschiedene Methoden zur Beschreibung der Struktur von supergekühltem Wasser zu vergleichen. Supergekühltes Wasser entsteht, wenn Wasser unter seinen Gefrierpunkt abkühlt, ohne zu gefrieren – das passiert, wenn keine Kristallisationskeime wie Staubpartikel vorhanden sind. In diesem Zustand werden die ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers noch deutlicher.

Die Wissenschaftler glauben, dass diese Eigenschaften mit einem Gleichgewicht zwischen zwei konkurrierenden flüssigen Zuständen zusammenhängen: einer Flüssigkeit mit hoher Dichte (HDL) und einer mit niedriger Dichte (LDL). Auf molekularer Ebene bilden und lösen sich ständig Netzwerke von Wasserstoffbrückenbindungen. Mit steigender Temperatur werden die kompakteren HDL-Strukturen dominanter.

Um die verschiedenen Beschreibungsmethoden zu vergleichen, trainierten die Forscher ein neuronales Netz mit Daten aus Computersimulationen von supergekühltem Wasser. Das System lernte, Muster in den molekularen Strukturen zu erkennen. Anschließend bewertete es, wie gut 16 verschiedene Methoden zwischen HDL und LDL unterscheiden konnten. „Das Netzwerk nutzte das Gelernte, um zu vergleichen, wie die 16 Deskriptoren bei verschiedenen Temperaturen zwischen HDL und LDL differenzieren“, erklärt Seniorautor Nobuyuki Matubayasi. Auf diese Weise bestimmten die Forscher die effizientesten Deskriptoren.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht. Die Forscher hoffen, dass ihr Ansatz das Verständnis darüber verbessert, wie mikroskopische Strukturveränderungen mit dem thermodynamischen Verhalten von Wasser zusammenhängen. Die Erkenntnisse könnten auch helfen, den Ursprung der ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser zu erklären und bessere Werkzeuge für die Erforschung seiner komplexen molekularen Struktur zu entwickeln.