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量子计算揭示冰的隐藏化学性质

发布时间：2025-11-25 17:25:33 阅读数： 37

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一项新的研究为科学家们更好地了解冰融化时亚原子尺度上的变化铺平了道路，其意义包括改进对永久冻土融化释放温室气体的预测。

当紫外线照射到冰上时——无论是在地球的极地地区还是在遥远的行星上——都会引发一系列化学反应，这些反应几十年来一直困扰着科学家。

如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员与阿卜杜勒·萨拉姆国际理论物理中心（ICTP）的合作者利用量子力学模拟揭示了冰晶体结构中的微小缺陷如何显著改变冰吸收和发射光的方式。这项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS ）上的研究成果，为科学家们更好地理解冰融化时亚原子尺度上的变化铺平了道路，其意义包括改进对永久冻土融化释放温室气体的预测。

“此前没有人能够如此精确地模拟紫外光照射冰时发生的情况，”分子工程系刘氏家族教授、该研究的资深作者之一朱莉娅·加利说。“我们的论文为理解光与冰的相互作用提供了一个重要的起点。”

“的里雅斯特-芝加哥合作项目将我们在水和冰物理方面的专业知识与研究光与物质相互作用的先进计算方法结合起来。我们携手合作，有望开始解开一个一直以来都极具挑战性的问题，”的里雅斯特国际理论物理中心（ICTP）高级科学家阿里·哈桑纳利补充道，他与加利共同参与了这项新研究。

一个困扰了几十年的谜题

冰与光的奥秘可以追溯到20世纪80年代的实验。当时研究人员发现了一个令人费解的现象：暴露在紫外光下几分钟的冰样会吸收特定波长的光，而暴露数小时的冰样则会吸收不同的波长的光，这表明冰的化学成分随时间发生了变化。科学家们提出了多种可能在冰中形成的化学物质来解释这些现象，但当时缺乏验证这些理论的工具。

“冰的性质比想象中更难研究。当光与冰相互作用时，化学键会断裂，形成新的分子和带电离子，进而从根本上改变冰的性质，”该研究的第一作者、国际理论物理中心（ICTP）的玛尔塔·蒙蒂说道。

在这项新研究中，研究团队采用了加利实验室近年来开发的先进建模方法，这些方法用于研究量子技术材料。这些方法使他们能够以前所未有的精度研究冰。

“冰很难通过实验进行研究，但通过计算，我们可以研究样本，并以实验无法做到的方式分离出特定化学反应的影响，这要归功于我们开发的用于研究复杂材料缺陷性质的复杂计算方法，”第二作者余进（音译）说道，他曾是芝加哥大学的研究生，现在是弗拉蒂隆研究所的博士后研究员。

窗体底端

瑕疵的指纹

研究团队模拟了四种类型的冰：排列成完美晶格的无缺陷冰，以及结构中存在三种不同缺陷的冰。其中一种缺陷是水晶体中缺少水分子，留下一个称为空位的空隙。其他两种缺陷则是在冰的结构中引入带电的氢氧根离子。在第三组计算实验中，冰严格的氢键规则被打破，形成了一种比耶鲁姆缺陷——要么两个氢原子最终位于同一对氧原子之间，要么一个氢原子都不位于同一对氧原子之间，从而破坏了原本有序的结构。

研究人员可以逐一添加这些缺陷，并观察每种缺陷如何改变冰吸收和发射光的方式。这种精确控制在实际冰样本中无法实现，但可以通过计算实现。

研究团队发现，在无缺陷冰和在冰中插入氢氧根离子后，紫外光的吸收起始能量不同，这至少在定性上解释了数十年前的实验结果。比耶鲁姆缺陷导致光吸收发生更显著的变化，这或许可以解释冰在长时间暴露于紫外光下时出现的无法解释的吸收特征。

每种缺陷都会产生独特的光学特征——就像指纹一样，实验人员现在可以在真实的冰样本中寻找这些特征。模拟结果还揭示了分子层面的变化：当紫外光照射到冰上时，水分子会分解形成水合氢离子、羟基自由基和自由电子。根据缺陷的类型，这些电子要么会扩散到冰层中，要么会被困在微小的空腔中。

“这是理解更复杂情况的基础。现在我们知道了单个缺陷的行为方式，就可以开始模拟具有多个缺陷、表面，并最终模拟真实自然样本的复杂性的冰，”蒙蒂说。

从基础物理学到永久冻土融化

就目前而言，这项研究仅仅触及了冰光化学基本问题的冰山一角。但最终，对紫外光与冰相互作用的深入研究有望拓展我们对环境挑战和天体化学的理解。极地地区的永久冻土层会封存温室气体。随着全球气温升高，阳光照射到这些冻土层上，了解冻土层如何释放这些气体对于预测气候变化至关重要。

“地球某些地区的冰中含有气体，当冰受到光照或温度略微升高时，这些气体就会释放出来，”加利说。“更好地了解冰的融化方式以及它在光照下释放的物质，对于理解这些气体将产生巨大的影响。”

这些发现也可能对理解木星的欧罗巴和土星的恩克拉多斯等冰卫星上的化学性质产生影响，在这些卫星上，紫外线辐射不断轰击冰覆盖的表面，并可能驱动复杂分子的形成。

目前，该团队正与实验人员合作，设计能够验证其计算预测结果的测量方法。他们还将研究范围扩展到冰中更复杂的缺陷集合，并探究融水在冰表面积聚时的影响。