PNAS: ученые благодаря квантовым вычислениям раскрыли скрытую химию льда

Ультрафиолетовое излучение во льду запускает цепочку химических реакций, природа которых долгие годы оставалась загадкой, и теперь ученые с помощью квантово-механического моделирования показали, что ключевую роль играют микроскопические дефекты в кристаллической решетке льда. Работа исследователей Чикагского университета и Международного центра теоретической физики Абдуса Салама опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Около 40 лет назад ученые заметили, что образцы льда, облучаемые УФ-светом несколько минут, и образцы, подвергавшиеся облучению часами, поглощали разные длины волн. Это говорило о том, что под действием света химия льда меняется, однако тогда было невозможно объяснить эти процессы.

Ученые применили вычислительные методики, разработанные для изучения материалов квантовых технологий. Они позволяют «расщепить» лед на атомарные процессы и наблюдать, как дефекты влияют на взаимодействие с ультрафиолетом.

Ведущий автор работы Марта Монти пояснила, что молекулы воды при взаимодействии со светом могут распадаться, образуя новые радикалы и ионы. И эти продукты полностью меняют поведение материала, отметила она.

Ученые изучили четыре вида льда: идеальный кристалл и три варианта с дефектами (вакансиями, внедренными гидроксид-ионами и дефектами Бьеррума, нарушающими порядок водородных связей). В ходе исследования каждый тип дефекта менял энергию, при которой лед начинает поглощать УФ-свет, оставлял уникальный «оптический отпечаток», который позволяет идентифицировать его в реальных образцах, а также влиял на поведение электронов во льду при облучении.

Результаты исследования объяснили наблюдения 1980-х годов, когда лед после долгого УФ-облучения проявлял новые ранее необъяснимые линии поглощения.

Исследователи отмечают, что понимание того, как лед поглощает и излучает свет, поможет смоделировать процессы таяния, формирования трещин и взаимодействия льда с атмосферой.

Ранее ученые установили, что аномалии в земных недрах могут быть следами древнего океана магмы.