I calcoli quantistici svelano la chimica nascosta del ghiaccio
Un rompicapo vecchio di decenni
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Quando la luce ultravioletta colpisce il ghiaccio - sia nelle regioni polari della Terra che su pianeti lontani - innesca una cascata di reazioni chimiche che hanno lasciato perplessi gli scienziati per decenni.
Una nuova ricerca apre la strada agli scienziati per comprendere meglio ciò che accade su scala subatomica quando il ghiaccio si scioglie, con implicazioni che includono il miglioramento delle previsioni sul rilascio di gas serra dal permafrost in fase di scongelamento.
Image courtesy of Galli Group
Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) dell'Università di Chicago e i collaboratori dell'Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) hanno utilizzato simulazioni meccaniche quantistiche per rivelare come minuscole imperfezioni nella struttura cristallina del ghiaccio alterino drasticamente il modo in cui il ghiaccio assorbe ed emette la luce. I risultati, pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences, aprono la strada agli scienziati per comprendere meglio ciò che accade su scala subatomica quando il ghiaccio si scioglie, con implicazioni che includono il miglioramento delle previsioni sul rilascio di gas serra dal permafrost in fase di disgelo.
"Nessuno è mai stato in grado di modellare con questo livello di precisione ciò che accade quando la luce UV colpisce il ghiaccio", ha dichiarato Giulia Galli, Liew Family Professor di Ingegneria Molecolare e uno degli autori senior del nuovo lavoro. "Il nostro lavoro fornisce un importante punto di partenza per comprendere l'interazione della luce con il ghiaccio".
"La collaborazione tra Trieste e Chicago ha unito le nostre competenze nella fisica dell'acqua e del ghiaccio con metodi computazionali avanzati per lo studio delle interazioni luce-materia. Insieme, abbiamo potuto iniziare a svelare un problema che è stato molto difficile da affrontare", ha aggiunto Ali Hassanali, scienziato senior dell'ICTP di Trieste, che ha collaborato con Galli alla nuova ricerca.
Un enigma vecchio di decenni
Il mistero del ghiaccio e della luce risale a esperimenti condotti negli anni '80, quando i ricercatori scoprirono qualcosa di sconcertante: campioni di ghiaccio esposti ai raggi UV per pochi minuti assorbivano determinate lunghezze d'onda della luce, ma campioni esposti ai raggi UV per ore assorbivano lunghezze d'onda diverse, suggerendo che la chimica del ghiaccio era cambiata nel tempo. Gli scienziati hanno proposto vari prodotti chimici che potrebbero formarsi nel ghiaccio per spiegare queste osservazioni, ma non avevano gli strumenti per verificare le loro teorie.
"Il ghiaccio è ingannevolmente difficile da studiare. Quando la luce interagisce con il ghiaccio, i legami chimici si rompono, formando nuove molecole e ioni carichi che, a loro volta, ne alterano radicalmente le proprietà", ha dichiarato Marta Monti, dell'ICTP, prima autrice dello studio.
Nel nuovo lavoro, il team ha utilizzato approcci avanzati di modellazione che il laboratorio Galli ha sviluppato negli ultimi anni per studiare i materiali per le tecnologie quantistiche. I metodi hanno permesso di studiare il ghiaccio a un livello che prima non era possibile.
"Il ghiaccio è estremamente difficile da studiare sperimentalmente, ma dal punto di vista computazionale possiamo studiare un campione e isolare l'effetto di una chimica specifica in modi che non possono essere fatti negli esperimenti, grazie ai sofisticati metodi computazionali che abbiamo sviluppato per studiare le proprietà dei difetti nei materiali complessi", ha detto il secondo autore Yu Jin, ex studente laureato dell'UChicago, ora ricercatore post-dottorato presso il Flatiron Institute.
Le impronte digitali delle imperfezioni
Il team di ricerca ha simulato quattro tipi di ghiaccio: ghiaccio privo di difetti disposto in un reticolo cristallino perfetto e ghiaccio con tre diverse imperfezioni nella sua struttura. In un caso, le molecole d'acqua mancavano dal cristallo d'acqua, lasciando un vuoto chiamato "posto vacante". In altri casi, sono stati introdotti nella struttura ioni idrossido carichi. Per la terza serie di esperimenti computazionali, le rigide regole di legame a idrogeno del ghiaccio sono state violate in un difetto di Bjerrum: due atomi di idrogeno finiscono tra la stessa coppia di atomi di ossigeno, oppure nessuno, sconvolgendo la struttura normalmente ordinata.
I ricercatori hanno potuto aggiungere questi difetti uno alla volta e osservare come ogni tipo cambiava il modo in cui il ghiaccio assorbiva ed emetteva luce. Questo tipo di controllo preciso è impossibile nei campioni fisici di ghiaccio, ma può essere ottenuto a livello computazionale.
Il team ha dimostrato che l'inizio dell'assorbimento della luce UV avviene a energie diverse nel ghiaccio privo di difetti e quando gli ioni idrossido sono inseriti nel campione, spiegando, almeno qualitativamente, esperimenti vecchi di decenni. I difetti di Bjerrum hanno prodotto cambiamenti ancora più estremi nell'assorbimento della luce, spiegando potenzialmente le caratteristiche di assorbimento inspiegabili che appaiono nel ghiaccio esposto alla luce UV per periodi prolungati.
Ogni tipo di difetto ha creato una firma ottica unica, come un'impronta digitale che gli sperimentatori possono ora cercare in campioni di ghiaccio reali. Le simulazioni hanno anche rivelato cosa accade a livello molecolare: quando la luce UV colpisce il ghiaccio, le molecole d'acqua possono rompersi per formare ioni idronio, radicali idrossilici ed elettroni liberi. A seconda dei difetti presenti, questi elettroni possono diffondersi nel ghiaccio o rimanere intrappolati in piccole cavità.
"Questo è il fondamento per comprendere scenari molto più complessi. Ora che sappiamo come si comportano i singoli difetti, possiamo iniziare a modellare il ghiaccio con più difetti, le superfici e, infine, la confusione dei campioni naturali reali", ha detto Monti.
Dalla fisica fondamentale allo scioglimento del permafrost
Per ora, il lavoro affronta la punta dell'iceberg per quanto riguarda le domande fondamentali sulla fotochimica del ghiaccio. Ma alla fine, studi più approfonditi sulle interazioni tra luce UV e ghiaccio potrebbero ampliare la nostra comprensione delle sfide ambientali e dell'astrochimica. Il permafrost, il terreno perennemente ghiacciato nelle regioni polari, intrappola i gas serra. Quando le temperature globali aumentano e la luce solare colpisce questo ghiaccio, la comprensione del modo in cui esso rilascia questi gas diventa fondamentale per prevedere i cambiamenti climatici.
"In alcune parti della Terra c'è del ghiaccio che contiene dei gas e quando viene colpito dalla luce o quando la temperatura aumenta di poco, questi gas vengono rilasciati", ha detto Galli. "Una migliore conoscenza di come il ghiaccio si scioglie e di cosa rilascia sotto la luce potrebbe avere un impatto incredibile sulla comprensione di questi gas".
I risultati potrebbero anche avere implicazioni per la comprensione della chimica su lune ghiacciate come Europa di Giove ed Encelado di Saturno, dove le radiazioni UV bombardano costantemente le superfici ricoperte di ghiaccio e possono favorire la formazione di molecole complesse.
Il team sta ora lavorando con gli sperimentatori per progettare misure che possano convalidare le loro previsioni computazionali. Inoltre, sta estendendo il lavoro per studiare collezioni più complesse di difetti nel ghiaccio e sondare l'impatto dell'acqua fusa che si accumula sulla superficie del ghiaccio.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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