Cálculos cuánticos revelan la química oculta del hielo
Un enigma de décadas
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Cuando la luz ultravioleta incide sobre el hielo, ya sea en las regiones polares de la Tierra o en planetas lejanos, se desencadena una cascada de reacciones químicas que han desconcertado a los científicos durante décadas.
Una nueva investigación allana el camino para que los científicos comprendan mejor lo que ocurre a escala subatómica cuando se funde el hielo, lo que tiene implicaciones como la mejora de las predicciones sobre la liberación de gases de efecto invernadero a partir del deshielo del permafrost.
Image courtesy of Galli Group
Ahora, investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) y colaboradores del Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica (ICTP) han utilizado simulaciones de mecánica cuántica para revelar cómo pequeñas imperfecciones en la estructura cristalina del hielo alteran drásticamente la forma en que éste absorbe y emite la luz. Los resultados, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, allanan el camino para que los científicos comprendan mejor lo que ocurre a escala subatómica cuando el hielo se derrite, lo que tiene implicaciones como la mejora de las predicciones sobre la liberación de gases de efecto invernadero procedentes del deshielo del permafrost.
"Nadie antes había sido capaz de modelizar con este nivel de precisión lo que ocurre cuando la luz ultravioleta incide en el hielo", afirma Giulia Galli, catedrática de Ingeniería Molecular de la Familia Liew y una de las autoras principales del nuevo trabajo. "Nuestro artículo proporciona un importante punto de partida para comprender la interacción de la luz con el hielo".
"La colaboración Trieste-Chicago aunó nuestra experiencia en física del agua y el hielo con métodos computacionales avanzados para estudiar las interacciones luz-materia. Juntos, pudimos empezar a desentrañar un problema que ha sido muy difícil de abordar", añadió Ali Hassanali, científico titular del ICTP) de Trieste, que colaboró con Galli en la nueva investigación.
Un enigma de décadas
El misterio del hielo y la luz se remonta a experimentos realizados en los años 80, cuando los investigadores descubrieron algo desconcertante: las muestras de hielo expuestas a la luz ultravioleta durante sólo unos minutos absorbían determinadas longitudes de onda de la luz, pero las muestras expuestas a la luz ultravioleta durante horas absorbían longitudes de onda diferentes, lo que sugería que la química del hielo había cambiado con el tiempo. Los científicos propusieron varios productos químicos que podrían formarse en el hielo para explicar estas observaciones, pero carecían de las herramientas necesarias para probar sus teorías.
"El hielo es engañosamente difícil de estudiar. Cuando la luz interactúa con el hielo, los enlaces químicos se rompen, formando nuevas moléculas e iones cargados que, a su vez, alteran fundamentalmente sus propiedades", explica Marta Monti, del CIFT, primera autora del estudio.
En el nuevo trabajo, el equipo recurrió a métodos avanzados de modelización que el laboratorio Galli ha desarrollado en los últimos años para estudiar materiales destinados a tecnologías cuánticas. Los métodos les permitieron estudiar el hielo a un nivel que antes no era posible.
"El hielo es extremadamente difícil de estudiar experimentalmente, pero computacionalmente podemos estudiar una muestra y aislar el efecto de una química específica de formas que no se pueden hacer en los experimentos, gracias a los sofisticados métodos computacionales que hemos desarrollado para estudiar las propiedades de los defectos en materiales complejos", afirma el segundo autor Yu Jin, antiguo estudiante de posgrado de la UChicago, ahora becario de investigación posdoctoral en el Flatiron Institute.
Las huellas de las imperfecciones
El equipo de investigadores simuló cuatro tipos de hielo: hielo sin defectos dispuesto en una red cristalina perfecta y hielo con tres imperfecciones distintas en su estructura. En un caso, faltaban moléculas de agua en el cristal de agua, dejando un hueco llamado vacante. En otros casos, se introdujeron iones de hidróxido cargados en la estructura. En la tercera serie de experimentos computacionales, se violaron las estrictas reglas de enlace de hidrógeno del hielo en un defecto de Bjerrum: dos átomos de hidrógeno terminan entre el mismo par de átomos de oxígeno, o ninguno, alterando la estructura normalmente ordenada.
Los investigadores pudieron añadir estos defectos de uno en uno y observar cómo cada tipo cambiaba la forma en que el hielo absorbía y emitía luz. Este tipo de control preciso es imposible en muestras físicas de hielo, pero puede lograrse computacionalmente.
El equipo demostró que el inicio de la absorción de la luz ultravioleta se produce a energías diferentes en el hielo sin defectos y cuando se introducen iones de hidróxido en la muestra, lo que explica, al menos cualitativamente, experimentos realizados hace décadas. Los defectos de Bjerrum produjeron cambios aún más extremos en la absorción de la luz, lo que podría explicar las inexplicables características de absorción que aparecen en el hielo expuesto a la luz ultravioleta durante periodos prolongados.
Cada tipo de defecto creó una firma óptica única, como una huella dactilar que los experimentadores pueden buscar ahora en muestras de hielo reales. Las simulaciones también revelaron lo que ocurre a nivel molecular: cuando la luz UV incide en el hielo, las moléculas de agua pueden romperse y formar iones hidronio, radicales hidroxilo y electrones libres. Dependiendo de los defectos presentes, estos electrones pueden propagarse por el hielo o quedar atrapados en pequeñas cavidades.
"Esta es la base para comprender escenarios mucho más complejos. Ahora que sabemos cómo se comportan los defectos individuales, podemos empezar a modelizar el hielo con múltiples defectos, superficies y, finalmente, el desorden de las muestras naturales reales", explica Monti.
De la física fundamental al deshielo del permafrost
Por ahora, el trabajo aborda la punta del iceberg en lo que se refiere a cuestiones fundamentales sobre la fotoquímica del hielo. Pero con el tiempo, estudios más profundos de las interacciones de la luz ultravioleta y el hielo podrían ampliar nuestra comprensión de los retos medioambientales y la astroquímica. El permafrost -el suelo permanentemente helado de las regiones polares- atrapa gases de efecto invernadero. A medida que aumentan las temperaturas globales y la luz solar incide sobre este hielo, entender cómo libera esos gases se convierte en algo fundamental para predecir el cambio climático.
"En ciertas partes de la Tierra hay hielo que contiene gases, y cuando la luz incide sobre él o cuando aumenta un poco la temperatura, estos gases se liberan", explica Galli. "Conocer mejor cómo se derrite el hielo y qué libera bajo la iluminación podría tener repercusiones increíbles en la comprensión de estos gases".
Los hallazgos también pueden tener implicaciones para entender la química en lunas heladas como Europa de Júpiter y Encélado de Saturno, donde la radiación UV bombardea constantemente las superficies cubiertas de hielo y puede impulsar la formación de moléculas complejas.
El equipo trabaja ahora con experimentadores para diseñar mediciones que puedan validar sus predicciones computacionales. También están ampliando el trabajo para estudiar conjuntos más complejos de defectos en el hielo y sondear el impacto del agua derretida cuando se acumula en la superficie del hielo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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