Ультрафиолетовое излучение запускает в льду цепочку химических реакций, природа которых десятилетиями оставалась загадкой. Теперь исследователи Чикагского университета и Международного центра теоретической физики Абдуса Салама с помощью квантово-механического моделирования показали: ключевую роль играют микроскопические дефекты в кристаллической решетке льда. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Первые странности заметили почти сорок лет назад: образцы льда, облучаемые УФ-светом несколько минут, и образцы, подвергавшиеся облучению часами, поглощали разные длины волн. Это означало, что химия льда под действием света меняется, но объяснить эти процессы тогда было невозможно.
«Никто раньше не мог смоделировать взаимодействие УФ-света и льда с такой точностью», — отметила Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии Чикагского университета.
Команда применила вычислительные методики, которые Галли и ее коллеги разрабатывали для изучения материалов квантовых технологий. Эти методы позволяют «расщепить» лед на атомарные процессы и наблюдать, как именно дефекты влияют на взаимодействие с ультрафиолетом — то, что невозможно напрямую увидеть в эксперименте.
«Лед — крайне сложный объект. При взаимодействии со светом молекулы воды могут распадаться, образуя новые радикалы и ионы, и эти продукты полностью меняют поведение материала», — объяснила Марта Монти, ведущий автор работы.
Ученые исследовали четыре вида льда: идеальный кристалл и три варианта с дефектами — вакансиями (отсутствующими молекулами), внедренными гидроксид-ионами и дефектами Бьеррума, которые нарушают порядок водородных связей. Каждый тип дефекта радикально менял энергию, при которой лед начинает поглощать УФ-свет, оставлял уникальный «оптический отпечаток», позволяющий идентифицировать его в реальных образцах и влиял на то, как электроны в льду ведут себя при облучении — свободно ли перемещаются или застревают в микрополостях.
Эти результаты объяснили наблюдения 1980-х, когда лед после долгого облучения проявлял новые, ранее необъяснимые линии поглощения.
Понимание того, как лед поглощает и излучает свет, поможет смоделировать процессы таяния, формирования трещин и взаимодействия льда с атмосферой.
Исследовательская группа уже готовит эксперименты, чтобы напрямую проверить предсказания модели, и планирует изучить более сложные наборы дефектов и влияние тающего слоя воды.
Ранее физики раскрыли тайну образования молнии.
