Om de complexiteit van het binnenste van de aarde beter te begrijpen, de mensheid moet diep graven - letterlijk. Daten, wetenschappers hebben iets meer dan 12 kilometer diep kunnen boren, of ongeveer de helft van de gemiddelde diepte van de aardkorst.

Waarom zouden onderzoekers in diepere diepten moeten kijken? Zowel om beter te begrijpen hoe de aarde is gevormd en hoe het interieur een effect kan hebben op ons leven op het aardoppervlak van vandaag, zoals door de grootte en omkeringen van het magnetisch veld van de aarde.

Echter, experimenten die materialen onderzoeken onder omstandigheden diep in de aarde zijn een uitdaging, wat betekent dat om inzicht te blijven krijgen in deze verschijnselen, experimentatoren moeten hun toevlucht nemen tot modellering en simulatie om hun inspanningen te ondersteunen en aan te vullen.

Daartoe, onderzoekers van het Instituut voor Geologie en Mineralogie van de Universiteit van Keulen hebben zich tot computerbronnen in het Jülich Supercomputing Center (JSC) gewend om beter te begrijpen hoe materialen zich gedragen in de extreme omstandigheden onder het aardoppervlak.

Het team, onder leiding van Prof. Dr. Sandro Jahn en Dr. Clemens Prescher van de Universiteit van Keulen, gebruikt JSC's JUQUEEN-supercomputer om de structuur van smelten te simuleren door silicaatglazen te bestuderen als een modelsysteem voor smelten onder ultrahoge druk. Het team publiceerde onlangs zijn eerste bevindingen in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het begrijpen van de eigenschappen van silicaatsmelten en glas bij ultrahoge druk is cruciaal om te begrijpen hoe de aarde zich in haar kindertijd heeft gevormd, waar inslagen van grote asteroïden leidden tot een volledig gesmolten aarde, "zei Prescher. "In feite, alle interne gelaagde structuur die we vandaag kennen, werd gevormd in dergelijke evenementen."

Het is een glas

Als de meeste mensen denken aan het woord glas, ze denken aan ramen of flessen. Glas, echter, is een term die een breed scala van niet-kristal vaste stoffen beschrijft. Atomen in een vaste stof kunnen zichzelf op verschillende manieren organiseren, en materialen die als glas worden beschouwd, hebben enkele van de meer "chaotische" atomaire structuren die mogelijk zijn in vaste stoffen.

Een glas kan ook worden gezien als een bevroren smelt. Dus door de eigenschappen van glas bij ultrahoge drukken te begrijpen, onderzoekers kunnen inzicht krijgen in de eigenschappen van de smelt in het diepe binnenste van de aarde, een duidelijker beeld geven van de fysieke processen die de aarde hebben gemaakt en die vandaag de dag nog steeds plaatsvinden.

Met behulp van een verscheidenheid aan geofysische metingen en laboratoriumexperimenten, onderzoekers zijn in staat om onder bepaalde drukcondities enig inzicht te krijgen in materiaaleigenschappen zonder daadwerkelijk directe waarnemingen te kunnen doen.

Voer supercomputers in. Naarmate de rekenkracht sterker is geworden, Geofysische onderzoekers zijn in staat om hun studies van deze processen in de binnenste aarde aan te vullen en uit te breiden door het gebruik van numerieke modellen.

In het geval van de onderzoekers van de Universiteit van Keulen, ze wilden een meer gedetailleerd inzicht krijgen in de structuur van het silicaatglas dan hun experimentele inspanningen konden bieden. Het team gebruikte ab initio berekeningen van de elektronische structuren van atomen en zette deze berekeningen in gang met behulp van moleculaire dynamische simulaties. Ab initio berekeningen houden in dat onderzoekers beginnen zonder aannames in hun wiskundige modellen, een simulatie rekenkundig duurder maar ook nauwkeuriger maken.

Omdat er veel berekeningen zijn voor de structuur van elk atoom en rekenkundig veeleisende moleculaire dynamische berekeningen, het team houdt zijn simulaties relatief kleinschalig - de grootste runs van het team hebben doorgaans tussen de 200-250 atomen in de simulatie. Door deze grootte kan het team simulaties uitvoeren onder verschillende druk- en temperatuurcombinaties, waardoor het uiteindelijk een kleine maar representatieve steekproef van materiële interacties onder verschillende omstandigheden kan berekenen.

Om het model te testen en de basis te leggen voor het modelleren van steeds complexere materiële interacties, het team besloot siliciumdioxide (SiO2) te simuleren, een gewone, goed bestudeerd materiaal, het meest bekend als de verbinding die kwarts vormt.

Onder silicaatmaterialen, SiO2 is een goede kandidaat om rekenmodellen op te baseren - onderzoekers begrijpen al hoe de atomaire structuurpatronen en materiaaleigenschappen veranderen onder verschillende drukomstandigheden.

Het team koos ervoor om zich te concentreren op een relatief eenvoudige, bekend materiaal om het drukbereik dat het zou kunnen simuleren uit te breiden en te proberen het model te valideren met experimentele gegevens. JUQUEEN gebruiken, het team was in staat om zijn onderzoek uit te breiden tot ver buiten de experimenteel bereikte 172 Gigapascals, overeenkomend met 1,72 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde, of ruwweg de hoeveelheid druk die de Eiffeltoren zou uitoefenen door op het topje van iemands vinger te drukken.

De onderzoekers ontdekten ook dat bij hoge druk, zuurstofatomen zijn veel beter samendrukbaar dan siliciumatomen. De variërende grootteverhouding tussen de twee leidt tot enorm verschillende glasstructuren van SiO2 bij lage en bij hoge drukken.

Dieper graven

Door het model te valideren, het team heeft er vertrouwen in dat het kan overgaan tot complexere materialen en interacties. specifiek, het team hoopt zijn onderzoek dieper in het rijk van smelten uit te breiden. Zie lava als een smelting - gesmolten gesteente barst uit onder het aardoppervlak, koelt snel af wanneer het de oppervlakte bereikt, en kan obsidiaan vormen, een glazige rots.

Om meer geavanceerde simulaties van smelten te doen, het team zou zijn simulaties willen uitbreiden om rekening te houden met een breder scala aan chemische processen en om het aantal atomen in een typische run uit te breiden.

Terwijl JSC en de andere twee Gauss Center for Supercomputing (GCS) -faciliteiten - het High-Performance Computing Center Stuttgart en het Leibniz Supercomputing Center in Garching - supercomputers van de volgende generatie installeren, het team is ervan overtuigd dat ze nog meer inzicht zullen krijgen in het brede scala aan complexe materiaalinteracties die vele kilometers onder het oppervlak plaatsvinden.

"Met een snellere machine kunnen we complexere smeltingen en glazen simuleren, wat cruciaal is om van modelsystemen te gaan, zoals SiO2-glas in deze studie, naar de real-world composities die we in het binnenste van de aarde verwachten, ’ zei Prescher.

Prescher merkte ook op dat het ondersteuningspersoneel van JSC het team hielp efficiënter te werken door te helpen bij het implementeren van de code van het team.

Dit type ondersteuning vertegenwoordigt de plannen van GCS voor de toekomst. Met de belofte en kansen verbonden aan de volgende generatie computerarchitecturen, De leiding van het GCS-centrum realiseert zich dat nauwere samenwerking met gebruikers en co-design van applicaties een belangrijk onderdeel zal zijn om ervoor te zorgen dat onderzoekers grotere, complexere wetenschappelijke problemen.

Of je nu diep in de ruimte tussen de sterren of diep onder het aardoppervlak studeert, de samenwerking tussen supercomputercentra en onderzoekers zal een steeds belangrijkere rol spelen bij het oplossen van 's werelds moeilijkste wetenschappelijke uitdagingen.