طبّق باحثون في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو وبالتعاون مع المركز الدولي للفيزياء النظرية عبد السلام في إيطاليا محاكاة ميكانيكا كمية دقيقة لدراسة تأثير الضوء فوق البنفسجي على كيمياء الجليد، ونُشرت النتائج في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. هدف العمل كان تفسير اختلافات امتصاص الضوء التي لاحظت منذ تجارب الثمانينيات، حيث تغيّر طيف الامتصاص بعد تعرّضات قصيرة مقابل طويلة لأشعة UV.
اختبر الفريق أربعة نماذج للجليد: شبكة بلورية مثالية، جليد به فراغ (مفقود جزيء ماء)، جليد به أيونات هيدروكسيد، وجليد يحتوي على عيب بييروم يخرق قواعد الروابط الهيدروجينية. أظهرت المحاكاة أن وجود أيونات الهيدروكسيد يحوّل حد امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، بينما تؤدي عيوب بييروم إلى تغيّرات أكبر وأكثر تطرفًا وقد تفسر ميزات امتصاص لم تُفهم بعد بعد تعرض طويل للضوء.
على المستوى الجزيئي، يكسر الضوء جزيئات الماء مكوّناً أيونات هيدرونيوم، وجذور هيدروكسيل وإلكترونات حرة؛ اعتمادًا على العيوب قد تنتشر هذه الإلكترونات عبر الشبكة أو تُحبس في تجاويف صغيرة. الفريق يعمل الآن مع تجريبيين للتحقق من التنبؤات ويخطط لنمذجة جليد به عيوب متعددة، والسطوح، ومياه الانصهار. قد تُفيد هذه النتائج دراسات إطلاق غازات التربة المتجمدة وكيمياء أقمار جليدية مثل أوروبا وإنسيلادوس.
حصل البحث على تمويل من المفوضية الأوروبية، واستخدم قدرة الحوسبة الفائقة CINECA، ومنصات MareNostrum5 وMICCoM عبر مختبر أرغون الوطني ومن خلال وزارة الطاقة.
كلمات صعبة
- محاكاة — إنشاء نموذج رقمي لظاهرة لدراستها
- ميكانيكا كمية — نظرية فيزيائية تصف سلوك الجسيمات الصغيرة
- عيب — خَلل أو نقص يغير ترتيب أو خصائص المادةعيوب
- حد امتصاص — أدنى طاقة ضوئية تمتصها المادة
- إلكترون — جسيم دون ذري ذي شحنة سالبةإلكترونات
- تجويف — فراغات صغيرة داخل مادة أو شبكةتجاويف
تلميح: مرّر المؤشر أو ركّز أو اضغط على الكلمات المظلَّلة داخل القصة لرؤية تعريفات سريعة أثناء القراءة أو الاستماع.
أسئلة للمناقشة
- كيف قد تفيد نتائج هذه الدراسة في فهم كيمياء أقمار جليدية مثل أوروبا وإنسيلادوس؟ اذكر سببين أو أمثلة.
- ما فوائد وتحديات العمل المشترك بين فرق نمذجة نظرية وتجريبيين في أبحاث كيمياء الجليد؟
- لماذا قد تكون الاختلافات في طيف الامتصاص بعد تعرّضات قصيرة وطويلة مهمة لدراسات إطلاق الغازات من التربة المتجمدة؟
