محاسبات کوانتومی خواص جدیدی از یخ را برای دانشمندان آشکار کرده است

اشعه ماوراء بنفش باعث ایجاد زنجیره ای از واکنش های شیمیایی در یخ می شود که ماهیت آن برای دهه ها یک راز باقی مانده است. اکنون محققان دانشگاه شیکاگو و مرکز بین‌المللی فیزیک نظری عبدالسلام از مدل‌سازی مکانیکی کوانتومی استفاده کرده‌اند تا نشان دهند که نقص‌های میکروسکوپی در شبکه بلور یخ نقش کلیدی دارد. این کار در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شد.

اولین چیز عجیب تقریباً 40 سال پیش مشاهده شد: نمونه‌های یخی که برای چند دقیقه در معرض نور UV قرار گرفتند و نمونه‌هایی که ساعت‌ها در معرض نور UV قرار گرفتند، طول موج‌های مختلفی را جذب کردند. این بدان معنی است که خواص شیمیایی یخ تحت تأثیر نور تغییر می کند، اما پس از آن نمی توان این فرآیندها را توضیح داد.

جولیا گالی، استاد مهندسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو، گفت: «هیچ کس قبلاً نتوانسته بود تعامل نور فرابنفش و یخ را با چنین دقتی مدل‌سازی کند.

این تیم تکنیک های محاسباتی را که گالی و همکارانش برای مطالعه مواد فناوری کوانتومی توسعه می دادند، به کار بردند. این روش‌ها امکان «تقسیم» یخ را به فرآیندهای اتمی و مشاهده دقیق چگونگی تأثیر نقص‌ها بر تعامل با نور ماوراء بنفش را ممکن می‌سازد – چیزی که مستقیماً در آزمایش‌ها قابل مشاهده نیست.

دانشمندان چهار نوع یخ را مورد مطالعه قرار دادند: یک کریستال کامل و سه نوع با نقص – جای خالی (مولکول های از دست رفته)، یون های هیدروکسید جاسازی شده و نقص های Bjerrum که نظم پیوند هیدروژنی را مختل می کند. هر نوع نقص به طور اساسی انرژی را تغییر می دهد که در آن یخ شروع به جذب نور ماوراء بنفش می کند و یک “اثر انگشت نوری” منحصر به فرد باقی می گذارد که به آن امکان می دهد در نمونه های واقعی شناسایی شود و بر نحوه رفتار الکترون های یخ در هنگام تابش تأثیر می گذارد – چه آزادانه حرکت کنند یا در حفره های میکروسکوپی به دام افتاده باشند.

این نتایج مشاهدات دهه 1980 را توضیح می دهد که یخ پس از دوره های طولانی تابش، خطوط جذب جدیدی را نشان داد که قبلاً توضیح داده نشده بود.

درک اینکه چگونه یخ نور را جذب و ساطع می کند به مدل سازی ذوب، تشکیل ترک و برهمکنش بین یخ و جو کمک می کند.

این تیم آزمایش‌هایی را برای آزمایش مستقیم پیش‌بینی‌های مدل آماده کرده است و قصد دارد مجموعه‌های پیچیده‌تر نقص و همچنین تأثیر لایه آب مذاب را مطالعه کند.