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

به گزارش مجله خبری نگار،تابش فرابنفش زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی را در یخ آغاز می‌کند که ماهیت آن برای دهه‌ها به صورت یک راز باقی مانده بود. اکنون، محققان دانشگاه شیکاگو و مرکز بین‌المللی فیزیک نظری عبدالسلام با استفاده از مدل‌سازی مکانیک کوانتومی نشان داده‌اند که نقص‌های میکروسکوپی در شبکه کریستالی یخ نقش کلیدی دارند. این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است.

اولین موارد عجیب تقریباً چهل سال پیش مشاهده شدند: نمونه‌های یخی که به مدت چند دقیقه تحت تابش نور فرابنفش قرار گرفتند و نمونه‌هایی که ساعت‌ها در معرض آن قرار گرفتند، طول موج‌های مختلفی را جذب کردند. این بدان معناست که شیمی یخ تحت تأثیر نور در حال تغییر است، اما در آن زمان، توضیح این فرآیند‌ها غیرممکن بود.

جولیا گالی، استاد مهندسی مولکولی در دانشگاه شیکاگو، گفت: «هیچ‌کس پیش از این نتوانسته است برهمکنش نور فرابنفش و یخ را با چنین دقتی مدل‌سازی کند.»

این تیم از تکنیک‌های محاسباتی که گالی و همکارانش برای مطالعه مواد فناوری کوانتومی توسعه داده بودند، استفاده کرد. این روش‌ها به آنها اجازه می‌دهد یخ را به فرآیند‌های اتمی "تجزیه" کنند و مشاهده کنند که چگونه این نقص‌ها بر تعامل آن با نور فرابنفش تأثیر می‌گذارند - چیزی که نمی‌توان مستقیماً به صورت تجربی مشاهده کرد.

مارتا مونتی، نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح داد: «یخ یک جسم بسیار پیچیده است. مولکول‌های آب هنگام تعامل با نور می‌توانند تجزیه شوند و رادیکال‌ها و یون‌های جدیدی تشکیل دهند و این محصولات رفتار ماده را کاملاً تغییر می‌دهند.»

دانشمندان چهار نوع یخ را مطالعه کردند: یک کریستال کامل و سه نوع با نقص - جای خالی (مولکول‌های گمشده)، یون‌های هیدروکسید جاسازی‌شده و نقص‌های Bjerrum که نظم پیوند‌های هیدروژنی را مختل می‌کنند. هر نوع نقص، انرژی‌ای را که در آن یخ شروع به جذب نور UV می‌کند، به طور اساسی تغییر داد، یک "اثر انگشت نوری" منحصر‌به‌فرد از خود به جا گذاشت که امکان شناسایی آن را در نمونه‌های واقعی فراهم کرد و بر نحوه رفتار الکترون‌های موجود در یخ تحت تابش تأثیر گذاشت - اینکه آیا آنها آزادانه حرکت می‌کنند یا در ریزحفره‌ها به دام می‌افتند.

این نتایج، مشاهدات دهه ۱۹۸۰ را توضیح داد، جایی که یخ پس از تابش طولانی‌مدت، خطوط جذبی جدید و قبلاً غیرقابل توضیحی را نشان داد.

درک چگونگی جذب و انتشار نور توسط یخ به مدل‌سازی فرآیند‌های ذوب، تشکیل ترک و برهمکنش‌های یخ با جو کمک خواهد کرد.

تیم تحقیقاتی در حال حاضر در حال آماده‌سازی آزمایش‌هایی برای آزمودن مستقیم پیش‌بینی‌های مدل است و قصد دارد مجموعه نقص‌های پیچیده‌تر و اثرات یک لایه آب در حال ذوب را مطالعه کند.