На поверхности Земли сезонные льды и районы, покрытые вечной мерзлотой, представляют собой обширный резервуар для сбора, концентрации и выброса газов из окружающей среды и микрогазов, включая озабоченность национальной безопасностью в связи с сохранением и судьбой преднамеренно высвобожденных опасных химических веществ.
Это делает расширение наших знаний о том, как молекулы взаимодействуют с ледяной поверхностью, ключевой целью не только для изменения климата, но и для решения гораздо более широкого круга других экологических, научных и оборонных проблем.
Теперь группа исследователей из Чикагского университета и Университета Лойолы открыла новый механизм, который они называют «стабильным энергетическим встраиванием» атомов и молекул во лед.
Работа описана в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing. Он появляется в специальном выпуске о межфазной и замкнутой воде.
Недавно открытый механизм объясняет, как некоторые молекулы, такие как CF4 или «четырехфтористый углерод», взаимодействуют с поверхностями льда и внедряются под ними.
Новая работа также показала, как молекулы, внедренные в лед посредством этого механизма, могут быть захвачены и оставаться во льду при температурах, значительно превышающих типичную температуру десорбции для поверхностно адсорбированных частиц.
«Открытие стабильного энергетического погружения атомов и молекул внутри льда было очень волнующим моментом в нашей лаборатории», – сказал Стивен Дж.
Сибенер, заслуженный профессор службы Карла Уильяма Эйзендрата на кафедре химии и Института Джеймса Франка, а также директор Инициативы по исследованию воды Института молекулярной инженерии Чикагского университета. «Мы также уточнили глубину проникновения газа во лед, показав, что молекулы остаются в подповерхностной области, а не свободно диффундируют по льду при исследованных температурах."
Как именно вы собираетесь исследовать стабильное встраивание во лед??
Во-первых, команда выращивает ледяные пленки высокой чистоты на криогенной подложке, расположенной в сверхвысоковакуумной среде. Это позволяет им точно контролировать образование пленки, варьируя скорость осаждения воды при различных температурах подложки.
«Мы выращиваем две формы льда: кристаллическую и аморфную твердую воду», – пояснил Сибенер. «Аморфный лед можно заставить превратиться в кристаллическую фазу, подняв температуру примерно до 160 К. После подготовки поверхность льда подвергается воздействию энергетического пучка атомов или молекул, увлекаемых сверхзвуковым пучком."
Затем можно использовать методы сверхзвукового луча для создания потока по существу моноэнергетических частиц, которые сталкиваются с поверхностью в заданной геометрии. «Необычно четко определенная кинематика столкновения позволяет нам исследовать и теоретически моделировать, как молекулы включаются в ледяную пленку, а также понимать вероятности прилипания и передачу энергии путем измерения скоростей и углового распределения отраженных частиц», – сказал он. «Мы обнаруживаем внедренные молекулы двумя способами: термодесорбцией после дозирования и высокочувствительной инфракрасной спектроскопией под углом in situ."
Работа команды имеет важные последствия для передачи энергии и импульса при столкновении – в том, что молекулы имеют еще один динамический вариант в дополнение к классическим каналам рассеяния и отскока, находящиеся прямо или временно на поверхности до тех пор, пока не будет передано достаточное количество энергии, что приведет к тепловой аккомодации. «Такие отточенные знания имеют как фундаментальное, так и техническое значение, например, как понимание летных характеристик высокопроизводительного самолета», – сказал Сибенер.
«Наша работа показывает, что такие системы далеки от статики и что необходимо учитывать энергетическое включение для разработки более полных моделей обледенения и состава в космической среде», – добавил он.
Затем Сибенер и его коллеги планируют изучить связанные эксперименты с упором на экологически важные газы и химически активные системы.