PNAS: микродефекты в кристаллах льда меняют его реакцию на ультрафиолет

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.