Nová kombinace umělé inteligence a výkonných mikroskopů odhaluje, co se děje na zamrzlém povrchu dlouho před tím, než začne tání; pochopte následující.
Unikátní spojení technik strojového učení a atomové silové mikroskopie umožnilo vědcům vyřešit záhadu trvající 170 let: co se děje na molekulární úrovni na povrchu ledu, než začne tát.
Studie, která fenomenální jev popisuje a byla publikována v odborném časopise Physical Review X v prosinci, poprvé odhaluje atomovou strukturu takzvané vrstvy „před-tání“. Tato vrstva je podobná kapalnému filmu, který se vytváří i při teplotách hluboko pod nulou.
Tento jev poprvé pozoroval před více než 170 lety britský fyzik Michael Faraday. Navzdory jeho důležitosti pro obory jako jsou tření, atmosférická chemie, kryoprezervace a dokonce i bruslení na ledě, zůstávala jeho mikroskopická struktura neznámá.
Vyzkoušení technologie na Peking University překonali tuto překážku propojením atomové silové mikroskopie (AFM) s algoritmy strojového učení trénovanými na simulacích molekulární dynamiky.
Nejprve vědci použili techniku AFM k mapování povrchu s extrémně citlivou špičkou schopnou detekovat minimální změny síly. I tak však samotná technika nedokáže rekonstruovat kompletní trojrozměrné struktury na nerovných površích.
Využití nových technologií
Inovace nového výzkumu spočívala v použití umělé inteligence k interpretaci těchto neúplných signálů. Algoritmus byl trénován na realistických simulacích, které zahrnovaly experimentální šumy, což umožnilo rekonstruovat molekulární detaily, jež jsou tradičními metodami neviditelné.
Nejvíce překvapivý výsledek se objevil při analýze ledu při teplotách mezi –152 °C a –93 °C. V tomto rozmezí výzkumníci identifikovali tvorbu amorfní povrchové vrstvy: led zůstává pevným státem, ale molekuly vody ztrácejí svou typickou krystalickou organizaci. Tato vrstva vykazuje solidní chování, avšak je vysoce neuspořádaná, a postupně přechází do téměř kapalného stavu s rostoucí teplotou.
„Tato vrstva vykazuje silnou topologickou neuspořádanost, přičemž zároveň zachovává dynamiku podobnou pevnému stavu, a postupuji postupně do téměř kapalné vrstvy, jak se teplota zvyšuje,“ vysvětluje Hong.
Objev redefinuje mikroskopické porozumění před-tátovému ledu a poskytuje nový pohled na to, jak se krystalické povrchy proměňují za extrémních podmínek. Více než zajímavost historického tajemství, technika otevírá cestu pro aplikace, které přesahují studium ledu.
„Struktura strojového učení pro AFM nabízí mocný nástroj na atomové úrovni pro zkoumání neuspořádaných rozhraní, fázových přechodů a defektů materiálů, s širokým potenciálem aplikací v funkčních materiálech a biologických systémech,“ uvádí Hong ve svém prohlášení.
