Кристалл, который играет против правил: как ультрафиолет превращает лед в непредсказуемый материал

УФ-свет изменил цвет льда в экспериментах — профессор Галли

Ультрафиолет давно считался одним из ключевых факторов, способных менять структуру льда, однако механизм этих превращений десятилетиями оставался почти неразгаданным. На первый взгляд кристаллы воды кажутся вполне понятными: простая решётка, чёткие связи, привычные реакции на температуру. Но стоило ученым внимательно взглянуть на лед под действием УФ-излучения, как обнаружился целый набор необычных эффектов — от изменения спектра поглощения до формирования нестандартных продуктов распада. Именно эти загадки и подвели исследователей к идее заглянуть внутрь кристаллов с помощью квантовых расчетов.

Новые возможности моделирования

Учёные из Чикагского университета и Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама применили методы квантово-механического моделирования, чтобы проследить за поведением льда в условиях облучения. Ранее столь детальные вычисления были недоступны: слишком сложной оказалась комбинация кристаллической структуры, локальных дефектов и быстротекущих реакций, запускаемых УФ-фотонами.

"Никто раньше не мог смоделировать взаимодействие УФ-света и льда с такой точностью", — отметила профессор молекулярной инженерии Джулия Галли.

В основе подхода лежат методики, созданные для изучения материалов квантовых технологий. Они позволяют буквально разобрать кристалл по атомам и отследить изменения электронных состояний, возникающие под воздействием света. Это открывает путь к объяснению явлений, которые экспериментально наблюдаются ещё с 1980-х годов, но долгое время не поддавались интерпретации.

Микроскопические дефекты — незаметные дирижёры процессов

Оказалось, что ключевыми "режиссёрами" поведения льда становятся микроскопические нарушения в его решётке. Команда рассмотрела четыре варианта структуры: идеальный кристалл и три типа дефектов — вакансии, гидроксид-ионные включения и дефекты Бьеррума, нарушающие порядок водородных связей. Каждый из них настолько меняет электронные состояния льда, что сдвигает границу поглощения УФ-излучения и формирует свой собственный "оптический отпечаток".

"Лед — крайне сложный объект. При взаимодействии со светом молекулы воды могут распадаться, образуя новые радикалы и ионы, и эти продукты полностью меняют поведение материала", — объяснила ведущий автор работы Марта Монти.

По расчётам, именно тип дефекта определяет, смогут ли электроны свободно перемещаться по решётке или будут застревать в микрополостях. Именно это позволяет объяснить различия в спектрах 40-летней давности: образцы, подвергавшиеся длительному облучению, постепенно "перестраивали" структуру, формируя набор дефектов, которые и меняли линию поглощения.

Сравнение моделей дефектов в льду

Тип структуры	Особенности	Влияние на поглощение УФ	Поведение электронов
Идеальный кристалл	Равномерная решётка	Стандартная граница поглощения	Электроны движутся предсказуемо
Вакансии	Отсутствующие молекулы	Смещение энергии поглощения	Локальные ловушки электронов
Гидроксид-ион	Нарушение баланса заряда	Уникальный спектральный отпечаток	Ускоренное формирование радикалов
Дефекты Бьеррума	Нарушенные водородные связи	Значительные спектральные изменения	Неустойчивая электронная динамика

Советы шаг за шагом: как изучают лед сегодня

Используют спектроскопию для оценки структуры льда с учётом влияния ультрафиолета.
Применяют квантово-механические расчёты для анализа дефектов в кристаллах.
Сравнивают полученные спектры с данными из лабораторных установок, работающих под контролируемыми температурами.
Для моделирования процессов таяния используют термодинамические программы и лазерные УФ-источники.
При необходимости вводят искусственные дефекты — так имитируют поведение образцов с различной историей формирования.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использование простых моделей льда без учёта дефектов.
• Последствие: неверные прогнозы поведения материала под УФ-облучением.
• Альтернатива: применение программ вроде VASP или Quantum ESPRESSO, позволяющих учитывать вакансии и ионные включения.

• Ошибка: анализ только внешних характеристик образцов.
• Последствие: невозможность объяснить необычные линии поглощения.
• Альтернатива: комбинирование спектроскопии с электронно-микроскопическими методами.

• Ошибка: игнорирование влияния тающего поверхностного слоя.
• Последствие: искажённые результаты при моделировании.
• Альтернатива: использование охлаждаемых камер и точных датчиков влажности.

А что если…

…будет выявлено, что дефекты способны ускорять образование трещин? Тогда полученные данные смогут применяться в моделях разрушения ледников и проектировании ледостойких конструкций — от судов до опор ЛЭП в арктических районах. А если выяснится, что УФ-свет стимулирует появление определённых радикалов, это поможет точнее моделировать химию атмосферы, включая взаимодействие льда и озона.

Плюсы и минусы нового подхода

Плюсы	Минусы
Возможность моделировать процессы, недоступные эксперименту	Высокая вычислительная стоимость
Точность определения спектральных линий	Необходимость дорогих вычислительных ресурсов
Применимость для климатических моделей	Требуются специалисты по квантовому моделированию

FAQ

Как учёные моделируют дефекты льда?
Они создают виртуальные кристаллы и изменяют структуру: удаляют молекулы, добавляют ионы, нарушают водородные связи.

Что влияет на спектр поглощения льда?
Тип и количество дефектов, интенсивность ультрафиолета и наличие тонкого слоя талой воды.

Сколько стоят вычисления такого масштаба?
Цена зависит от мощности суперкомпьютеров: расчёты полного спектра могут стоить от сотен до тысяч долларов вычислительного времени.