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지구에서 가장 흔한 물질 중 하나인 물 분자는 여전히 과학자들이 완전히 풀지 못한 미스터리를 품고 있다.
최근 연구진은 인공지능을 활용해 물 분자의 숨겨진 구조 변화를 분석하는 새로운 방법을 찾아냈다.
[사진=AI 생성 이미지]
얼어 붙을 수록 밀도가 낮아지는 물 분자
과학자들은 오래전부터 물 분자의 독특한 성질에 주목해 왔다. 대부분의 액체는 온도가 내려가 고체가 되면 입자 간 거리가 줄어들면서 수축한다. 하지만 물은 예외다.
얼음이 되면 오히려 부피가 커지고 밀도가 낮아진다. 전문가들은 이러한 현상이 온도와 압력 변화에 따라 달라지는 미세 구조와 관련 있다고 생각해 왔다.
문제는 그 구조 변화를 설명하는 방법이 너무 다양해 어떤 방식이 가장 정확한지 비교하기 어렵다는 점이었다.
일본 오사카대학교 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 인공지능을 활용했다.
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 만든 과냉각수 데이터를 인공지능 신경망에 학습시켜 물 분자의 구조를 분석하게 했다.
과냉각수는 물이 어는점 아래까지 내려갔지만 얼음으로 변하지 않고 액체 상태를 유지하는 특별한 상태를 말한다.
보통 물이 얼기 위해서는 얼음 결정이 처음 만들어지는 작은 시작점이 필요한데, 불순물이나 용기 표면의 미세한 흠집이 그 역할을 한다.
이런 조건이 없으면 물은 0도 아래에서도 액체로 남을 수 있다.
[사진=AI 생성 이미지]
인공지능이 찾아낸 숨은 패턴
과냉각 상태에서는 물의 특이한 성질이 더욱 강하게 나타난다. 연구자들은 그 원인이 두 가지 액체 구조 사이의 경쟁 때문이라고 보고 있다.
하나는 분자가 조밀하게 모인 ‘고밀도 액체’ 구조이고, 다른 하나는 더 넓게 배열된 ‘저밀도 액체’ 구조다.
물 분자는 계속해서 수소 결합을 만들고 끊으며 두 구조 사이를 오가는데, 온도가 변하면 두 구조의 비율도 함께 달라진다.
그동안 과학자들은 물 분자의 배열을 설명하기 위해 결합 각도, 주변 분자 밀도 등 여러 기준을 만들어 왔다.
하지만 각각 다른 방식으로 개발됐기 때문에 어떤 기준이 물의 본질적인 변화를 가장 잘 보여주는지 판단하기 어려웠다.
연구팀은 인공지능에 16가지 구조 분석 방법을 비교하도록 했다. 그 결과 인공지능은 고밀도 액체와 저밀도 액체 상태를 가장 효과적으로 구분하는 분석 기준을 찾아냈다.
얼음 표면이 미끄러운 물리적 이유 드디어 확인
연구진은 이번 방법이 물의 미세한 분자 구조와 거시적인 성질 사이의 관계를 이해하는 데 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.
지구에서 가장 익숙하지만 가장 독특한 물질인 물의 비밀을 푸는 데 인공지능이 새로운 도구가 되고 있다.
출처: ScienceDaily
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