كشفت الحسابات الكمومية عن خصائص جديدة للجليد للعلماء

تسبب الأشعة فوق البنفسجية سلسلة من التفاعلات الكيميائية في الجليد، والتي ظلت طبيعتها لغزا لعقود من الزمن. الآن استخدم الباحثون في جامعة شيكاغو ومركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية النمذجة الميكانيكية الكمومية لإظهار أن العيوب المجهرية في الشبكة البلورية الجليدية تلعب دورًا رئيسيًا. تم نشر العمل في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).

أول شيء غريب تمت ملاحظته منذ ما يقرب من 40 عامًا: عينات الجليد المعرضة للأشعة فوق البنفسجية لبضع دقائق والعينات المعرضة للأشعة فوق البنفسجية لساعات تمتص أطوال موجية مختلفة. وهذا يعني أن الخواص الكيميائية للجليد تتغير تحت تأثير الضوء، ولكن بعد ذلك لا يمكن تفسير هذه العمليات.

وقالت جوليا جالي، أستاذة الهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو: “لم يتمكن أحد من قبل من وضع نموذج للتفاعل بين الأشعة فوق البنفسجية والجليد بهذه الدقة”.

طبق الفريق تقنيات حسابية كانت جالي وزملاؤها يطورونها لدراسة مواد تكنولوجيا الكم. وتتيح هذه الأساليب إمكانية “تقسيم” الجليد إلى عمليات ذرية، وملاحظة مدى تأثير العيوب بدقة على التفاعل مع الضوء فوق البنفسجي، وهو أمر لا يمكن رؤيته مباشرة في التجارب.

درس العلماء أربعة أنواع من الجليد: بلورة مثالية وثلاثة أنواع بها عيوب – الشواغر (الجزيئات المفقودة)، وأيونات الهيدروكسيد المدمجة وعيوب جيروم، التي تعطل ترتيب الرابطة الهيدروجينية. يغير كل نوع من العيوب بشكل جذري الطاقة التي يبدأ عندها الجليد في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، مما يترك “بصمة بصرية” فريدة تسمح بتحديده في عينات حقيقية وتؤثر على كيفية تصرف الإلكترونات الموجودة في الجليد عند تعريضها للإشعاع – سواء كانت تتحرك بحرية أو محاصرة في تجاويف مجهرية.

تفسر هذه النتائج الملاحظات التي تمت في الثمانينات عندما أظهر الجليد، بعد فترات طويلة من التشعيع، خطوط امتصاص جديدة لم يتم تفسيرها من قبل.

إن فهم كيفية امتصاص الجليد وإصداره للضوء سيساعد في وضع نماذج للذوبان وتكوين الشقوق والتفاعلات بين الجليد والغلاف الجوي.

وقد قام الفريق بإعداد تجارب لاختبار تنبؤات النموذج بشكل مباشر وخطط لدراسة مجموعات العيوب الأكثر تعقيدًا بالإضافة إلى تأثير طبقة المياه الذائبة.