Wenn ultraviolettes Licht auf Eis trifft, sei es an den Polen der Erde oder auf fernen Planeten, löst es eine Reihe chemischer Reaktionen aus, die Wissenschaftler jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt haben. Nun hat eine Kooperation zwischen der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität Chicago und dem Abdul Salam International Center for Theoretical Physics mithilfe quantenmechanischer Simulationen aufgedeckt, wie winzige Defekte in der Struktur von Eiskristallen die Lichtabsorption und -emission von Eis beeinflussen. Diese in den *Proceedings of the National Academy of Sciences* veröffentlichte Arbeit ebnet den Weg zum Verständnis subatomarer Veränderungen beim Eisschmelzen und trägt zur Verbesserung der Vorhersagen von Treibhausgasemissionen aus tauendem Permafrost bei.

Das Forschungsteam simulierte vier Eisarten, darunter fehlerfreies Eis und drei Arten mit unterschiedlichen Defekten. Durch das schrittweise Hinzufügen von Defekten beobachteten sie, wie jeder Defekt die Lichtabsorption und -emission des Eises veränderte. Diese präzise Kontrolle ist in realen Eisproben schwer zu erreichen, lässt sich aber rechnerisch realisieren. Das Team fand heraus, dass die Absorptionsenergie von ultraviolettem Licht bei verschiedenen Defekten variiert, wodurch experimentelle Ergebnisse aus früheren Jahrzehnten erklärt werden können. Jeder Defekt erzeugt einzigartige optische Eigenschaften, vergleichbar mit Fingerabdrücken, nach denen Forschende in realen Eisproben suchen können. Die Simulationsergebnisse enthüllten zudem Veränderungen auf molekularer Ebene, wie den Zerfall von Wassermolekülen in neue Substanzen und die Diffusion oder das Einfangen von Elektronen.

Diese Forschung trägt nicht nur zur Beantwortung grundlegender Fragen der Photochemie von Eis bei, sondern birgt auch das Potenzial, unser Verständnis von Umweltproblemen und Astrochemie zu erweitern. Polarer Permafrost speichert Treibhausgase, und das Verständnis ihrer Freisetzung ist entscheidend für die Vorhersage des Klimawandels. Die Forschung könnte auch unser Verständnis der chemischen Eigenschaften von Eismonden wie Jupiters Europa und Saturns Enceladus beeinflussen, wo ultraviolette Strahlung die Bildung komplexer Moleküle antreiben könnte. Derzeit arbeitet das Team mit Experimentalwissenschaftlern zusammen, um Messmethoden zur Validierung der berechneten Vorhersagen zu entwickeln und den Forschungsumfang zu erweitern.

Diese Forschung trägt nicht nur zur Beantwortung grundlegender Fragen der Eis-Photochemie bei, sondern erweitert auch unser Verständnis von Umweltproblemen und Astrochemie. Polarer Permafrost speichert Treibhausgase, und das Verständnis ihrer Freisetzung ist entscheidend für die Vorhersage des Klimawandels. Weitere Informationen: Marta Monti et al., „Die Rolle von Defekten: Die Entstehung photophysikalischer und photochemischer Eigenschaften von Eis“, *Proceedings of the National Academy of Sciences* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Proceedings of the National Academy of Sciences*