Interaction of energetic particles with ice surfaces: molecular dynamics simulation using the REAX potential

• Applicant: Professor Dr. Herbert Michael Urbassek
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics ; Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2015 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 276095671

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Ionenbestrahlung von Eisoberflächen führt zur chemischen Veränderung des Materials. Wir haben diese Veränderungen mithilfe von Molekulardynamikuntersuchungen studiert. Als wesentlichen Parameter, der die Neubildung von Produktmolekülen determiniert, haben wir die in der Ionenspur deponierte Energie ermittelt; die Zahl der Produktmolekül ist proportional zu dieser Größe. Unter den gebildeten Reaktionsprodukten konnten wir viele identifizieren, die auch in entsprechenden astrophysikalischen Beobachtungen bzw. Laboruntersuchungen gefunden worden waren. Die durch die Bestrahlung induzierten Prozesse laufen für die drei untersuchten Bestrahlungsarten – Sonnenwind, kosmische Strahlung und magnetosphärische Ionen – in analoger Weise ab. Mittels Ionenbestrahlung können auf einer Eisoberfläche adsorbierte organische Moleküle desorbiert werden. Wir haben diesen Prozess für den Fall, dass ein Glycinmolekül auf einer Wassereisoberfläche adsorbiert wurde, für den exemplarischen Fall einer Bestrahlung mit einem 2 MeV Schwefelion untersucht. Während das Glycin im Kern der Ionenspur zerstört wurde, kann es aus einer Randzone intakt emittiert werden. Wir haben die zugehörigen Fragmentationsmuster und den Desorptionsquerschnitt bestimmt. Stöße zwischen Eiskörnern spielen in vielen Szenarien eine Rolle, wie etwa in planetaren Ringsystemen, aber auch bei der Bildung größerer Körper (Kometen, Monde, …) in der Frühphase der Evolution von Planetensystemen. Hier ist besonders die Kenntnis der Abprallgeschwindigkeit von Körnern wichtig, da sie darüber entscheidet, ob Stöße zu Kornwachstum oder -fragmentierung führen. Wir haben derartige Stöße mittels Molekulardynamiksimulationen sowohl für reine Eiskörner als auch für eisummantelte Silikatkörner untersucht und mit dem Verhalten von Körner aus anderen Materialien – reine Silikatkörner, „generische“ Lennard-Jones-Körner, Kohlenstoffkörner – verglichen. Im Unterschied zu anderen Materialien spielt das stoßinduzierte Aufschmelzen des Eises bei reinen Eiskörnern und auch bei eisummantelten Silikatkörnern eine wichtige Rolle; hierdurch wird die Abprallgeschwindigkeit wesentlich erhöht. Während für „generisches“ Material die Kornplastizität die wesentliche Rolle für die Energiedissipation während des Stoßes spielt – und so das Abprallen verhindern kann – ist für Eiskörner die stoßinduzierte Erhitzung und der Phasenübergang in die flüssige Phase dominant. In Silikatkörnern – und auch in Kohlenstoffkörnern – ist die Oberflächenenergie so groß, dass jeweils ein Abprallen verhindert wird; hier ist die Oberflächenpassivierung durch Adsorbatschichten (in wesentlich H2O bzw. H) wesentlich, um ein Abprallen zu ermöglichen.

Publications

• Irradiation of astrophysical ice grains by cosmic-ray ions: a REAX simulation study. Astron. Astrophys. 592, A35 (2016)
  M. Mainitz, C. Anders, and H. M. Urbassek
  
• Impact of energetic cosmic-ray ions on astrophysical ice grains. Nucl. Instrum. Meth. B 393, 34–38 (2017)
  M. Mainitz, C. Anders, and H. M. Urbassek
  
• Solar wind ion impacts into ice surfaces: A molecular-dynamics study using the REAX force field. Icarus 282, 351–362 (2017)
  C. Anders and H. M. Urbassek
  
• Bouncing window for colliding nanoparticles: Role of dislocation generation. Phys. Rev. E 99, 032904 (2019)
  M. L. Nietiadi, E. N. Millán, E. M. Bringa, and H. M. Urbassek
  
• Energetic sulfur ion impacts into cometary ice surfaces: a molecular dynamics study. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 482, no. 2, 2374–2388 (2019)
  C. Anders and H. M. Urbassek
  
• High-energy ion impacts into the sulfur-bearing ice surface of Europa: an atomistic study of chemical transformations. A&A 625, A140 (2019)
  C. Anders and H. M. Urbassek
  
• Bouncing of Hydroxylated Silica Nanoparticles: an Atomistic Study Based on REAX Potentials. Nanoscale Research Letters 15, no. 1, 67 (2020)
  M. L. Nietiadi, Y. Rosandi, and H. M. Urbassek
  
• Collisions between amorphous carbon nanoparticles: phase transformations. A&A 641, A159 (2020)
  M. L. Nietiadi, F. Valencia, R. I. Gonzalez, E. M. Bringa, and H. M. Urbassek
  
• Collisions between ice-covered silica grains: An atomistic study. Icarus 352, 113996 (2020)
  M. L. Nietiadi, Y. Rosandi, and H. M. Urbassek
  
• Ejection of Glycine Molecules Adsorbed on a Water Ice Surface by Swift-heavy Ion Irradiation. The Astrophysical Journal 891, no. 1, 21 (2020)
  C. Anders, E. M. Bringa, and H. M. Urbassek