Wszystko zaczyna się w latach 80. ubiegłego wieku, kiedy naukowcy zauważyli dziwny efekt: próbki lodu naświetlane promieniowaniem UV przez krótką chwilę absorbowały jedne długości fal, natomiast te wystawione na promieniowanie przez wiele godzin – zupełnie inne. Sugerowało to, że w strukturze lodu dzieje się coś dynamicznego, że jego chemia zmienia się wraz z czasem ekspozycji. Przez dekady brakowało jednak narzędzi, które pozwoliłyby zajrzeć do wnętrza kryształu i prześledzić reakcje zachodzące na poziomie atomów.
Czytaj też: Lód zaskoczył naukowców nową właściwością. Wygina się i produkuje prąd elektryczny
Teraz tę barierę udało się przełamać. Zespół z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, współpracujący z Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), wykorzystał zaawansowane symulacje kwantowe do zbadania, jak lód reaguje na ultrafiolet i jak zachowuje się w obecności różnych defektów w swojej strukturze. Wyniki opublikowano w PNAS.
Lód nie jest idealny
W centrum pracy badawczej znalazły się defekty – drobne zaburzenia w sieci krystalicznej lodu, które mogą zmieniać jego własności optyczne i chemiczne. Naukowcy przeanalizowali cztery warianty lodu: idealny kryształ oraz kryształy z trzema typami zaburzeń. Pierwszym były luki, czyli brakujące cząsteczki wody. Drugim – dodatkowe jony hydroksylowe, wprowadzające ładunek do struktury. Trzecią kategorię stanowiły defekty Bjerruma, związane z zaburzeniem standardowych reguł wiązań wodorowych.
Czytaj też: Nieznana wcześniej forma lodu istnieje w temperaturze pokojowej. Czy są z nami prawa fizyki?
Symulacje pokazały, że każdy z tych defektów pozostawia w widmie optycznym lodu “odcisk palca”. Prógi absorpcji UV przesuwają się w zależności od tego, jaki rodzaj zaburzenia występuje w próbce. W przypadku defektów Bjerruma zmiany były szczególnie silne – co może tłumaczyć obserwowane wcześniej, ale niewyjaśnione anomalie w absorpcji lodu wystawionego na długotrwałe promieniowanie.
Modelowanie pozwoliło również odtworzyć reakcje, jakie zachodzą po uderzeniu światła w kryształ. Cząsteczki wody rozpadają się na jony hydroniowe, rodniki hydroksylowe i elektrony. Te elektrony, zależnie od rodzaju defektu, mogą delokalizować się w strukturze lub utknąć w mikroskopijnych “kieszeniach” krystalicznych.
Dr Yu Jin, współautor pracy, zauważa:
Komputer pozwala nam rozdzielić efekty poszczególnych reakcji chemicznych w sposób niemożliwy w eksperymentach. Dzięki temu po raz pierwszy możemy prześledzić wpływ każdego typu defektu oddzielnie.
Choć badanie dotyczy jakościowo fundamentalnych procesów, ich znaczenie wykracza daleko poza laboratorium. W wiecznej zmarzlinie uwięzione są ogromne ilości gazów cieplarnianych. Gdy lód topnieje – czy to w wyniku wzrostu temperatury, czy ekspozycji na światło – część tych gazów może zostać uwolniona. Zrozumienie, jak błyskawiczne reakcje fotochemiczne wpływają na strukturę lodu, jest więc kluczowe dla modeli klimatycznych.
Prof. Giulia Galli mówi:
W niektórych częściach Ziemi lód zawiera uwięzione gazy, a niewielki wzrost temperatury lub ekspozycja na światło może spowodować ich emisję. Nasze badania to fundament dla dokładniejszych prognoz dotyczących tempa i skali tych procesów.
Znaczenie wyników nie kończy się na Ziemi. Lód bombardowany promieniowaniem UV pokrywa powierzchnie wielu ciał w Układzie Słonecznym, w tym Europy i Enceladusa. To właśnie tam reakcje fotochemiczne mogą prowadzić do powstawania bardziej złożonych cząsteczek organicznych. Lepsze zrozumienie tego, jak defekty wpływają na zachowanie lodu, może wpłynąć na interpretację danych z sond kosmicznych i poszukiwania sygnatur życia.
Praca opisuje zaledwie pierwszy krok w kierunku pełnej rekonstrukcji fotochemii lodu. Autorzy już planują modelowanie bardziej skomplikowanych struktur, uwzględniających jednoczesną obecność wielu defektów oraz obecność cienkich warstw wody na powierzchniach, które pojawiają się w trakcie topnienia. Kolejnym etapem będzie współpraca z grupami eksperymentalnymi, by zweryfikować przewidywania obliczeniowe i przełożyć je na pomiary laboratoryjne.