Nhóm nghiên cứu tại Pritzker School of Molecular Engineering thuộc University of Chicago và Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) ở Ý đã sử dụng mô phỏng cơ học lượng tử để khảo sát cách ánh sáng cực tím (UV) làm biến đổi hóa học của băng. Kết quả, công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences, nhằm giải thích các quan sát lâu nay trên Trái Đất và trên các thiên thể băng trong không gian.
Vấn đề bắt nguồn từ các thí nghiệm thập niên 1980, khi băng chiếu UV trong vài phút cho phổ khác với băng chiếu trong nhiều giờ. Nhóm dùng các phương pháp tính toán tiên tiến do phòng thí nghiệm của Giulia Galli phát triển; Yu Jin lưu ý rằng các phép tính này cho phép tách riêng tác động của từng kiểu cấu trúc mà thí nghiệm không làm được. Ali Hassanali nhận định công việc giúp mở dần một vấn đề khó giải quyết.
- Băng không có khuyết trong mạng tinh thể hoàn hảo.
- Băng có một vị trí trống, nơi thiếu một phân tử nước.
- Băng có ion hydroxide được đưa vào cấu trúc.
- Băng chứa khuyết Bjerrum, khi liên kết hydro bị vi phạm.
Các mô phỏng cho thấy từng loại khuyết thay đổi cách băng hấp thụ và phát xạ ánh sáng; ion hydroxide dịch chuyển vị trí hấp thụ UV, trong khi khuyết Bjerrum gây thay đổi lớn hơn và có thể giải thích các đặc trưng sau chiếu UV lâu. Ở cấp phân tử, UV có thể làm vỡ phân tử nước thành ion hydronium, gốc hydroxyl và electron tự do; electron tùy khuyết có thể lan truyền trong băng hoặc bị bẫy trong các khoang nhỏ.
Nhóm đang hợp tác với các nhà thực nghiệm để kiểm chứng dự đoán và có kế hoạch mô hình hóa băng có nhiều khuyết, bề mặt và nước tan. Công trình có thể cung cấp thông tin cho nghiên cứu phát thải khí từ băng vĩnh cửu và cho hóa học trên các mặt trăng băng như Europa và Enceladus. Kinh phí đến từ Ủy ban Châu Âu, siêu máy tính CINECA, MareNostrum5 và MICCoM thông qua Argonne National Laboratory qua Department of Energy.
Từ khó
- mô phỏng — phương pháp tính toán để tái hiện hệ thật
- khuyết — sai lệch hoặc thiếu trong cấu trúc tinh thể
- vị trí trống — chỗ nơi thiếu một phân tử trong mạng
- ion hydroxide — hạt mang điện âm gồm nhóm hydroxyl
- liên kết hydro — lực giữ các phân tử nước với nhau
- ion hydronium — phân tử nước mang điện tích dương
- electron tự do — electron không liên kết, có thể di chuyển
Mẹo: di chuột, dùng phím Tab hoặc chạm vào các từ được tô sáng trong bài để xem định nghĩa nhanh ngay khi bạn đọc hoặc nghe.
Câu hỏi thảo luận
- Mô phỏng có thể giúp hiểu rõ hơn điều gì so với thí nghiệm thực tế trong nghiên cứu này?
- Những kết quả về khuyết trong băng có thể ảnh hưởng như thế nào đến việc nghiên cứu phát thải khí từ băng vĩnh cửu?
- Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa gì đối với hóa học trên các mặt trăng băng như Europa và Enceladus?
