Квантовые вычисления раскрыли скрытую химию льда

Исследователи из Чикагского университета и Международного центра теоретической физики использовали квантовое моделирование, чтобы раскрыть, как структурные дефекты во льду влияют на его взаимодействие со светом. Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогут лучше понять процессы таяния льда на субатомном уровне.

«Никто раньше не мог с такой точностью смоделировать, что происходит, когда ультрафиолетовый свет попадает на лёд», — заявила Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии и соавтор работы.

Загадка взаимодействия льда и света восходит к экспериментам 1980-х годов, когда учёные обнаружили, что образцы льда, облученные УФ-светом в течение разного времени, поглощают свет по-разному. Это указывало на изменение химического состава льда, но инструментов для проверки теорий не хватало.

Команда смоделировала четыре типа льда: идеальный кристалл и лёд с тремя видами дефектов (вакансии, гидроксид-ионы и дефекты Бьеррума). Каждый тип дефекта создавал уникальную оптическую «подпись», объясняющую результаты старых экспериментов. При облучении УФ-светом молекулы воды распадаются, образуя ионы и свободные электроны, которые либо распространяются по льду, либо захватываются дефектами.

Это фундаментальное исследование имеет практическое значение для прогнозирования выбросов парниковых газов из тающей вечной мерзлоты и понимания химических процессов на ледяных спутниках планет, таких как Европа Юпитера.