Ricercatori della University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering e dell'Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) in Italia hanno impiegato simulazioni meccaniche quantistiche avanzate, sviluppate nel laboratorio di Giulia Galli, per studiare come la luce ultravioletta modifichi la chimica del ghiaccio. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences. Giulia Galli ha osservato che prima d'ora non era possibile modellare con questo livello di accuratezza l'effetto della luce UV sul ghiaccio, e Ali Hassanali ha sottolineato l'importanza della collaborazione per affrontare questo problema.
La questione risale a esperimenti degli anni 1980 che mostrarono come il ghiaccio esposto alla luce UV per alcuni minuti assorbisse lunghezze d'onda diverse rispetto all'esposizione per ore. I ricercatori sospettavano cambiamenti chimici ma mancavano gli strumenti per identificarne le cause. Come ha detto il coautore Yu Jin, i calcoli permettono di isolare gli effetti di specifiche reazioni chimiche in modo che non sempre è possibile sperimentalmente.
- Ghiaccio privo di difetti in un reticolo cristallino perfetto
- Ghiaccio con un sito vacante, dove manca una molecola d'acqua
- Ghiaccio con ioni idrossido introdotti nella struttura
- Ghiaccio con un difetto di Bjerrum, che viola le regole del legame a idrogeno
Le simulazioni indicano che diversi difetti modificano l'assorbimento e l'emissione di luce: la presenza di ioni idrossido sposta l'inizio dell'assorbimento UV, mentre i difetti di Bjerrum causano cambiamenti più ampi ed estremi e potrebbero spiegare caratteristiche inspiegate osservate dopo lunga esposizione. A livello molecolare la luce UV può rompere molecole d'acqua formando ioni idronio, radicali idrossilici ed elettroni liberi; a seconda dei difetti gli elettroni possono diffondersi nel ghiaccio o restare intrappolati in piccole cavità.
Il gruppo collabora ora con sperimentatori per verificare le predizioni e prevede di modellare ghiaccio con difetti multipli, superfici e acqua di scioglimento. Il lavoro potrebbe informare studi sul rilascio di gas dal permafrost e sulla chimica di lune ghiacciate come Europa ed Enceladus. Il finanziamento è stato fornito dalla European Commission, da CINECA supercomputing, da MareNostrum5 e da MICCoM tramite Argonne National Laboratory e il Department of Energy.
Parole difficili
- simulazione — modello al computer di un sistema fisicosimulazioni
- meccanica quantistica — teoria che descrive fenomeni a scala atomicameccaniche quantistiche
- reticolo cristallino — struttura regolare degli atomi o molecole
- sito vacante — posizione vuota in una struttura solida
- ione idrossido — particella carica negativa formata da ossigeno e idrogenoioni idrossido
- difetto — anomalia che viola regole del legame a idrogenodifetto di Bjerrum
- idronio — ione positivo derivato da una molecola d'acquaioni idronio
- radicale idrossilico — molecola o atomo molto reattivo con ossidrileradicali idrossilici
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Domande di discussione
- Quali esperimenti o misurazioni potrebbero fare gli sperimentatori per verificare le predizioni delle simulazioni? Fai esempi concreti.
- In che modo capire la chimica del ghiaccio può essere utile per lo studio di lune ghiacciate come Europa ed Enceladus?
- Quali conseguenze potrebbe avere sulla Terra la modifica della chimica del ghiaccio nei terreni permafrost?
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