Quantenberechnungen enthüllen die verborgene Chemie des Eises
Ein jahrzehntealtes Rätsel
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Wenn ultraviolettes Licht auf Eis trifft - sei es in den Polarregionen der Erde oder auf fernen Planeten -, löst es eine Kaskade chemischer Reaktionen aus, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor ein Rätsel gestellt haben.
Neue Forschungsergebnisse ermöglichen es den Wissenschaftlern, besser zu verstehen, was auf subatomarer Ebene passiert, wenn Eis schmilzt, was u. a. zu besseren Vorhersagen über die Freisetzung von Treibhausgasen durch auftauenden Permafrost führt.
Image courtesy of Galli Group
Jetzt haben Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) und Mitarbeiter des Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) mit Hilfe quantenmechanischer Simulationen herausgefunden, wie winzige Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur von Eis die Absorption und Emission von Licht dramatisch verändern. Die in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Ergebnisse ebnen den Wissenschaftlern den Weg zu einem besseren Verständnis der Vorgänge auf subatomarer Ebene beim Schmelzen von Eis, was u. a. eine bessere Vorhersage der Freisetzung von Treibhausgasen durch auftauenden Permafrost ermöglicht.
"Niemand war bisher in der Lage, die Vorgänge beim Auftreffen von UV-Licht auf Eis mit dieser Genauigkeit zu modellieren", sagte Giulia Galli, Liew Family Professor of Molecular Engineering und eine der Hauptautoren der neuen Arbeit. "Unsere Arbeit liefert einen wichtigen Ausgangspunkt für das Verständnis der Wechselwirkung von Licht mit Eis."
"Die Zusammenarbeit zwischen Triest und Chicago hat unser Fachwissen in der Wasser- und Eisphysik mit fortschrittlichen Berechnungsmethoden zur Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen zusammengebracht. Gemeinsam konnten wir damit beginnen, ein Problem zu enträtseln, das bisher sehr schwierig zu lösen war", fügte Ali Hassanali, leitender Wissenschaftler am ICTP in Triest, hinzu, der mit Galli an der neuen Forschungsarbeit beteiligt war.
Ein jahrzehntealtes Rätsel
Das Rätsel um Eis und Licht geht auf Experimente in den 1980er Jahren zurück, als Forscher etwas Rätselhaftes entdeckten: Eisproben, die nur wenige Minuten lang UV-Licht ausgesetzt waren, absorbierten bestimmte Wellenlängen des Lichts, aber Proben, die stundenlang UV-Licht ausgesetzt waren, absorbierten andere Wellenlängen, was darauf hindeutet, dass sich die Chemie des Eises im Laufe der Zeit verändert hatte. Die Wissenschaftler schlugen verschiedene chemische Produkte vor, die sich im Eis bilden könnten, um diese Beobachtungen zu erklären, aber es fehlten ihnen die Mittel, um ihre Theorien zu überprüfen.
"Eis ist trügerisch schwer zu untersuchen. Wenn Licht mit Eis interagiert, brechen chemische Bindungen auf und bilden neue Moleküle und geladene Ionen, die wiederum die Eigenschaften des Eises grundlegend verändern", sagte Marta Monti vom ICTP, die Erstautorin der Studie.
In der neuen Arbeit wandte das Team fortschrittliche Modellierungsansätze an, die das Galli-Labor in den letzten Jahren zur Untersuchung von Materialien für Quantentechnologien entwickelt hat. Mit diesen Methoden konnten sie Eis auf einem Niveau untersuchen, das zuvor nicht möglich war.
"Eis ist extrem schwer experimentell zu untersuchen, aber mit Hilfe von Berechnungen können wir eine Probe untersuchen und die Auswirkungen spezifischer chemischer Prozesse auf eine Weise isolieren, die in Experimenten nicht möglich ist, dank der hochentwickelten Berechnungsmethoden, die wir entwickelt haben, um die Eigenschaften von Defekten in komplexen Materialien zu untersuchen", sagte der Zweitautor Yu Jin, ein ehemaliger UChicago-Absolvent, der jetzt als Postdoktorand am Flatiron Institute forscht.
Die Fingerabdrücke von Unvollkommenheiten
Das Forschungsteam simulierte vier Arten von Eis: fehlerfreies Eis, das in einem perfekten Kristallgitter angeordnet ist, und Eis mit drei verschiedenen Unvollkommenheiten in seiner Struktur. In einem Fall fehlten Wassermoleküle im Wasserkristall und hinterließen eine Lücke, die als Vakanz bezeichnet wird. In anderen Fällen wurden geladene Hydroxid-Ionen in die Struktur eingeführt. Bei der dritten Gruppe von Computerexperimenten wurden die strengen Wasserstoffbindungsregeln des Eises durch einen Bjerrum-Defekt verletzt - entweder befinden sich zwei Wasserstoffatome zwischen demselben Paar von Sauerstoffatomen oder gar keine, wodurch die normalerweise geordnete Struktur gestört wird.
Die Forscher konnten diese Defekte nacheinander hinzufügen und beobachten, wie jeder Typ die Art und Weise veränderte, wie das Eis Licht absorbierte und emittierte. Diese Art der präzisen Kontrolle ist bei physischen Eisproben nicht möglich, kann aber mit Hilfe von Berechnungen erreicht werden.
Das Team zeigte, dass der Beginn der Absorption von UV-Licht bei unterschiedlichen Energien in defektfreiem Eis und bei in die Probe eingebrachten Hydroxidionen auftritt, was zumindest qualitativ die jahrzehntealten Experimente erklärt. Bjerrum-Defekte führten zu noch extremeren Veränderungen in der Lichtabsorption, was möglicherweise die unerklärlichen Absorptionsmerkmale erklärt, die in Eis auftreten, das längere Zeit UV-Licht ausgesetzt war.
Jede Art von Defekt erzeugt eine einzigartige optische Signatur - wie ein Fingerabdruck, nach dem Experimentatoren nun in echten Eisproben suchen können. Die Simulationen zeigten auch, was auf molekularer Ebene passiert: Wenn UV-Licht auf Eis trifft, können Wassermoleküle auseinanderbrechen und Hydroniumionen, Hydroxylradikale und freie Elektronen bilden. Je nach den vorhandenen Defekten können sich diese Elektronen entweder durch das Eis ausbreiten oder in winzigen Hohlräumen gefangen werden.
"Dies ist die Grundlage für das Verständnis viel komplexerer Szenarien. Jetzt, da wir wissen, wie sich einzelne Defekte verhalten, können wir mit der Modellierung von Eis mit mehreren Defekten, Oberflächen und schließlich der Unordnung echter natürlicher Proben beginnen", so Monti.
Von der Grundlagenphysik zum schmelzenden Permafrost
Im Moment ist die Arbeit nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um grundlegende Fragen der Photochemie von Eis geht. Tiefer gehende Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen UV-Licht und Eis könnten jedoch unser Verständnis von Umweltproblemen und Astrochemie erweitern. Permafrost - dauerhaft gefrorener Boden in den Polarregionen - bindet Treibhausgase. Da die globalen Temperaturen steigen und das Sonnenlicht auf das Eis trifft, ist es für die Vorhersage des Klimawandels von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie das Eis diese Gase freisetzt.
"In bestimmten Teilen der Erde gibt es Eis, das Gase enthält, und wenn es vom Licht getroffen wird oder die Temperatur nur ein wenig steigt, werden diese Gase freigesetzt", so Galli. "Bessere Kenntnisse darüber, wie Eis schmilzt und was es unter Lichteinwirkung freisetzt, könnten unglaubliche Auswirkungen auf das Verständnis dieser Gase haben."
Die Ergebnisse könnten auch Auswirkungen auf das Verständnis der Chemie auf Eismonden wie Jupiters Europa und Saturns Enceladus haben, wo UV-Strahlung ständig auf eisbedeckte Oberflächen trifft und die Bildung komplexer Moleküle fördern kann.
Das Team arbeitet nun mit Experimentalphysikern zusammen, um Messungen zu entwickeln, mit denen die Vorhersagen aus den Berechnungen überprüft werden können. Außerdem wird die Arbeit ausgeweitet, um komplexere Ansammlungen von Defekten im Eis zu untersuchen und die Auswirkungen von geschmolzenem Wasser, das sich auf der Eisoberfläche ansammelt, zu erforschen.
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