Les calculs quantiques révèlent la chimie cachée de la glace
Une énigme vieille de plusieurs décennies
Lorsque la lumière ultraviolette frappe la glace, que ce soit dans les régions polaires de la Terre ou sur des planètes lointaines, elle déclenche une cascade de réactions chimiques qui laissent les scientifiques perplexes depuis des décennies.
De nouvelles recherches ouvrent la voie à une meilleure compréhension de ce qui se passe à l'échelle subatomique lors de la fonte de la glace, ce qui permet notamment d'améliorer les prévisions relatives à la libération de gaz à effet de serre lors de la fonte du pergélisol.
Image courtesy of Galli Group
Aujourd'hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) de l'université de Chicago et des collaborateurs du Centre international Abdus Salam de physique théorique (CIPT) ont utilisé des simulations de mécanique quantique pour révéler comment de minuscules imperfections dans la structure cristalline de la glace modifient radicalement la façon dont la glace absorbe et émet la lumière. Ces résultats, publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, ouvrent la voie à une meilleure compréhension par les scientifiques de ce qui se passe à l'échelle subatomique lors de la fonte de la glace, ce qui a notamment pour effet d'améliorer les prévisions relatives à la libération de gaz à effet de serre par le dégel du pergélisol.
"Personne n'avait encore réussi à modéliser avec une telle précision ce qui se passe lorsque la lumière UV frappe la glace", a déclaré Giulia Galli, professeur d'ingénierie moléculaire de la famille Liew et l'un des principaux auteurs de ce nouveau travail. "Notre article constitue un point de départ important pour comprendre l'interaction de la lumière avec la glace.
"La collaboration Trieste-Chicago a réuni notre expertise en physique de l'eau et de la glace et des méthodes de calcul avancées pour étudier les interactions entre la lumière et la matière. Ensemble, nous avons pu commencer à démêler un problème qui a été très difficile à résoudre", a ajouté Ali Hassanali, scientifique principal au CIPT de Trieste, qui a collaboré avec Galli sur cette nouvelle recherche.
Une énigme vieille de plusieurs décennies
Le mystère de la glace et de la lumière remonte à des expériences menées dans les années 1980, lorsque des chercheurs ont découvert un phénomène curieux : des échantillons de glace exposés aux UV pendant quelques minutes seulement absorbaient certaines longueurs d'onde de la lumière, alors que des échantillons exposés aux UV pendant des heures absorbaient des longueurs d'onde différentes, ce qui suggérait que la chimie de la glace avait changé au fil du temps. Les scientifiques ont proposé divers produits chimiques susceptibles de se former dans la glace pour expliquer ces observations, mais ils ne disposaient pas des outils nécessaires pour tester leurs théories.
"La glace est étonnamment difficile à étudier. Lorsque la lumière interagit avec la glace, les liaisons chimiques se brisent, formant de nouvelles molécules et des ions chargés qui, à leur tour, modifient fondamentalement ses propriétés", a déclaré Marta Monti, du CIPT, premier auteur de l'étude.
Dans ce nouveau travail, l'équipe s'est tournée vers des approches de modélisation avancées que le laboratoire Galli a développées ces dernières années pour étudier les matériaux destinés aux technologies quantiques. Ces méthodes leur ont permis d'étudier la glace à un niveau qui n'était pas possible auparavant.
"La glace est extrêmement difficile à étudier expérimentalement, mais le calcul nous permet d'étudier un échantillon et d'isoler l'effet d'une chimie spécifique d'une manière qui ne peut être réalisée par des expériences, grâce aux méthodes de calcul sophistiquées que nous avons développées pour étudier les propriétés des défauts dans les matériaux complexes", a déclaré le deuxième auteur, Yu Jin, un ancien étudiant diplômé de l'UChicago, aujourd'hui chercheur postdoctoral à l'Institut Flatiron.
Les empreintes digitales des imperfections
L'équipe de recherche a simulé quatre types de glace : de la glace sans défaut disposée dans un réseau cristallin parfait et de la glace présentant trois imperfections différentes dans sa structure. Dans un cas, des molécules d'eau manquaient dans le cristal d'eau, laissant un vide appelé "vacance". Dans d'autres cas, des ions hydroxydes chargés ont été introduits dans la structure. Pour la troisième série d'expériences informatiques, les règles strictes de liaison hydrogène de la glace ont été violées dans un défaut de Bjerrum : soit deux atomes d'hydrogène se retrouvent entre la même paire d'atomes d'oxygène, soit aucun, ce qui perturbe la structure normalement ordonnée.
Les chercheurs ont pu ajouter ces défauts un par un et observer comment chaque type modifiait la façon dont la glace absorbait et émettait la lumière. Ce type de contrôle précis est impossible dans les échantillons physiques de glace, mais peut être obtenu par calcul.
L'équipe a montré que le début de l'absorption de la lumière UV se produit à des énergies différentes dans la glace sans défaut et lorsque des ions hydroxyde sont insérés dans l'échantillon, ce qui explique, au moins qualitativement, des expériences vieilles de plusieurs dizaines d'années. Les défauts de Bjerrum produisent des changements encore plus extrêmes dans l'absorption de la lumière, ce qui pourrait expliquer les caractéristiques d'absorption inexpliquées qui apparaissent dans la glace exposée à la lumière UV pendant de longues périodes.
Chaque type de défaut a créé une signature optique unique, comme une empreinte digitale que les expérimentateurs peuvent désormais rechercher dans des échantillons de glace réels. Les simulations ont également révélé ce qui se passe au niveau moléculaire : lorsque la lumière UV frappe la glace, les molécules d'eau peuvent se briser pour former des ions hydronium, des radicaux hydroxyles et des électrons libres. En fonction des défauts présents, ces électrons peuvent soit se répandre dans la glace, soit être piégés dans de minuscules cavités.
"C'est la base pour comprendre des scénarios beaucoup plus complexes. Maintenant que nous savons comment les défauts individuels se comportent, nous pouvons commencer à modéliser la glace avec des défauts multiples, des surfaces, et finalement le désordre des vrais échantillons naturels", a déclaré Monti.
De la physique fondamentale à la fonte du pergélisol
Pour l'instant, les travaux portent sur la partie émergée de l'iceberg en ce qui concerne les questions fondamentales sur la photochimie de la glace. Mais à terme, des études plus approfondies des interactions entre la lumière UV et la glace pourraient nous permettre de mieux comprendre les défis environnementaux et l'astrochimie. Le pergélisol, sol gelé en permanence dans les régions polaires, retient les gaz à effet de serre. À mesure que les températures mondiales augmentent et que la lumière du soleil frappe cette glace, il devient essentiel de comprendre comment elle libère ces gaz pour prévoir le changement climatique.
"Dans certaines régions de la Terre, la glace contient des gaz et, lorsqu'elle est touchée par la lumière ou lorsque la température augmente un tant soit peu, ces gaz sont libérés", a déclaré M. Galli. "Une meilleure connaissance de la façon dont la glace fond et de ce qu'elle libère sous l'effet de la lumière pourrait avoir un impact incroyable sur la compréhension de ces gaz.
Ces résultats pourraient également avoir des répercussions sur la compréhension de la chimie des lunes glacées telles qu'Europe de Jupiter et Encelade de Saturne, où le rayonnement UV bombarde constamment les surfaces couvertes de glace et peut entraîner la formation de molécules complexes.
L'équipe travaille à présent avec des expérimentateurs pour concevoir des mesures susceptibles de valider leurs prédictions informatiques. Ils étendent également leurs travaux à l'étude d'ensembles plus complexes de défauts dans la glace et sondent l'impact de l'eau fondue lorsqu'elle s'accumule à la surface de la glace.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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