PNAS: Квантовые расчеты помогли раскрыть новые свойства льда

Фото из открытых источников

Под воздействием ультрафиолетового излучения во льду запускается цепочка химических реакций, природу которых учёные десятилетиями не могли разгадать. Новые исследования Чикагского университета и Международного центра теоретической физики Абдуса Салама при помощи квантово-механического моделирования выявили базовую роль микроскопических дефектов в кристаллической решетке льда. Работу опубликовали в журнале PNAS.

Ещё почти сорок лет назад впервые заметили: образцы льда, подвергнутые облучению УФ-светом в течение нескольких минут, и те, что облучались часами, поглощали разные длины волн. То есть, химия льда под действием света меняется, но как именно, оставалось непонятным.

Командой были применены вычислительные методики, что изначально разрабатывались для изучения материалов квантовыми технологиями. Эти же методы позволили «расщепить» лед на атомарные процессы и понаблюдать, как именно дефекты отражаются на взаимодействии с ультрафиолетом.

Авторы работы поясняют, что лед является очень сложным объектом. Взаимодействуя со светом, молекулы воды способны распадаться с образованием новых радикалов и ионов, что полностью меняют поведение материала.

Исследовались четыре вида льда: идеальный кристалл и три варианта с дефектами, такими как вакансии (отсутствующие молекулы), внедренные гидроксид-ионы и дефекты Бьеррума, нарушающие порядок водородных связей.

Каждый из дефектов основательно менял энергию, при которой лед начинает поглощать УФ-свет, оставляя уникальный «оптический отпечаток». Это зависело от поведения электронов при облучении — свободно ли они движутся, или застревают в микрополостях.

Понимание того, как лед поглощает и излучает свет, имеет важное практическое значение. Позволит моделировать процессы таяния, формирование трещин и взаимодействие льда с атмосферой.