当紫外线照射到冰上，无论在地球极地还是遥远行星，都会引发一系列化学反应，几十年来困扰着科学家。如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院与阿卜杜勒·萨拉姆国际理论物理中心合作，利用量子力学模拟，揭示了冰晶体结构中微小缺陷如何改变冰吸收和发射光的方式。这一成果发表在《美国国家科学院院刊》上，为理解冰融化时亚原子尺度变化铺平道路，有助于改进对永久冻土融化释放温室气体的预测。

研究团队模拟了四种类型冰，包括无缺陷冰和三种存在不同缺陷的冰。通过逐一添加缺陷，观察每种缺陷对冰吸收和发射光方式的改变，这种精确控制在实际冰样本中难以实现，却可通过计算达成。研究团队发现，不同缺陷下，紫外光吸收起始能量不同，这解释了数十年前实验结果。每种缺陷产生独特光学特征，如同指纹，实验人员可在真实冰样本中寻找这些特征。模拟结果还揭示了分子层面变化，如水分子分解形成新物质，电子扩散或被困等。

这项研究不仅触及冰光化学基本问题，更有望拓展对环境挑战和天体化学的理解。极地永久冻土层封存温室气体，了解其释放气体方式对预测气候变化至关重要。研究还可能影响对木星欧罗巴和土星恩克拉多斯等冰卫星化学性质的理解，紫外线辐射可能驱动复杂分子形成。目前，团队正与实验人员合作，设计验证计算预测结果的测量方法，并扩展研究范围。

更多信息： Marta Monti 等人，《缺陷的作用：冰的光物理和光化学性质的形成》，《美国国家科学院院刊》 (2025)。期刊信息： 《美国国家科学院院刊》