Как ультрафиолет меняет лёд: квантовые симуляции

Квантово‑механические симуляции, проведённые командой из Школы молекулярной инженерии Притцкера при Университете Чикаго и Международного центра теоретической физики Абдуса Салама (ICTP), прояснили, как ультрафиолетовое излучение меняет химию льда. Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, использует продвинутые вычислительные методы из лаборатории Галлини для моделирования событий на молекулярном уровне с высокой точностью. Исследователи рассмотрели несколько модельных состояний: идеально упорядоченный кристалл, лед с вакансией (отсутствующая молекула), лед с гидроксид‑ионами и лед с дефектом Бьеррума, при котором нарушаются правила водородных связей. Симуляции показали, что гидроксид‑ионы сдвигают порог УФ‑поглощения, а дефекты Бьеррума вызывают более крупные и экстремальные спектральные изменения; последние могут объяснять необъяснимые сигналы в опытах после длительного облучения. На молекулярном уровне УФ‑свет может разрывать молекулы воды с образованием гидроксония, гидроксильных радикалов и свободных электронов. В зависимости от наличия дефектов электроны либо делокализуются по льду, либо захватываются в крошечных полостях. Учёные теперь проверяют предсказания совместно с экспериментаторами и планируют моделировать лед с множеством дефектов, поверхностями и талой водой. Результаты важны для понимания выбросов газов из вечной мерзлоты и химии на спутниках Европы и Энцелада; финансирование поступило от Европейской комиссии, суперкомпьютера CINECA, MareNostrum5 и MICCoM через Аргоннскую национальную лабораторию при Министерстве энергетики США.