Znanstvenici su koristili kvantnu mehaniku kako bi otkrili da su najčešći minerali Zemlje relativno neuobičajeni u dubokim slojevima planeta.
Koristeći nekoliko najvećih superračunala u državi, skupina fizičara predvođena Ohio državnim sveučilištem mogla je simulirati ponašanje silicijevog dioksida u uvjetima visoke temperature i visokog tlaka koje je teško proučavati iz prve ruke u laboratoriju. Rezultirajuće otkriće, objavljeno u ovotjednom internetskom izdanju Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), moglo bi na koncu koristiti podjednako i znanosti i industriji.
Silicijev dioksid čini dvije trećine Zemljine kore i mi ga koristimo u izradi proizvoda od stakla i keramike do kompjuterskih čipova i žica optičkih kablova. „Silicijev dioksid je svuda oko nas“, kaže student doktorskih studija na Ohio državnom sveučilištu- Kevin Driver, koji je vodio ovaj projekt radi svojeg doktorata. „Još uvijek ne razumijemo sve o njemu. Bolje znanje o silicijevom dioksidu na kvantno-mehaničkoj razini bilo bi korisno za znanosti o Zemlji, a potencijalno bi bilo također korisno i u industriji.“
“Silicijev dioksid poprima više različitih oblika u različitim uvjetima temperature i tlaka – i nije ih sve lako proučavati“, kaže Driver. „Kao što možete i zamisliti, pokusi koji se izvode pod tlakom sličnim onom u Zemljinoj jezgri mogu biti vrlo izazovni. Koristeći kvantno – mehaničke simulacije visoke točnosti možemo ponuditi pouzdan uvid koji nadilazi doseg laboratorija.“ Tijekom proteklog stoljeća seizmologija i laboratorijski pokusi u uvjetima visokog tlaka otkrili su nam puno o općoj strukturi i sastavu Zemlje. Na primjer, takva su istraživanja pokazala da se unutrašnja struktura planeta sastoji od tri sloja pod imenom kora, plašt i jezgra. Vanjska dva sloja – plaš i kora – pretežito se sastoje od silikata i minerala koji sadrže silicij i kisik.
No i dalje detaljnija struktura i sastav najdubljih dijelova plašta ostaju nejasni. Ovi detalji važni su za geodinamičko modeliranje, kojim bi se jednog dana mogli predvidjeti složeni geološki procesi kao što su potresi i erupcije vulkana. Čak i uloga najjednostavnijeg silikata – silicijevog dioksida – u Zemljinom plaštu nije dovoljno shvaćena. „Zamislite da stojite na plaži i gledate prema moru. Pijesak ispod vaših stopala sastavljen je od kvarca, oblika silicijevog dioksida koji sadrži jedan atom silicija okružen s četiri atoma kisika. No kroz milijune godina, kako se oceanska ploča ispod podvlači i potone pod Zemljinu koru, struktura silicijevog dioksida dramatično se mijenja“, kaže Driver.
Kako tlak raste s dubinom, molekule silicijevog dioksida grupiraju se bliže jedne drugima i atomi silicija dolaze u kontakt s atomima kisika iz susjednih molekula. Događa se nekoliko strukturnih promjena s oblicima u uvjetima niskog tlaka koji su okruženi s četiri atoma kisika i oblicima u uvjetima visokog tlaka koji su okruženi sa šest atoma. Uz još više tlaka struktura se raspada i formira vrlo gust oblik minerala koji znanstvenici zovu alfa-olovni oksid. Ovaj oblik silicijevog dioksida se vjerojatno nalazi duboko u unutrašnjosti Zemlje, u nižem dijelu plašta, malo iznad jezgre planeta, kaže Driver.
Kad znanstvenici pokušavaju interpretirati seizmičke signale iz te dubine, nema izravnog puta da saznaju o kojem se obliku silicijevog dioksida radi. Stoga moraju simulirati ponašanje različitih oblika putem računala i onda usporediti rezultate sa seizmičkim podacima. Simulacije se oslanjaju na kvantnu mehaniku. U PNAS-u Driver, njegov savjetnik John Wilkins i njihovi koautori opisuju kako su koristili kvantno – mehaničku metodu kako bi konstruirali računalne algoritme koji bi simulirali strukture silicijevog dioksida. Kad su to napravili, otkrili su da se ponašanje gustog, alfa-olovno-oksidnog oblika silicijevog dioksida ne slaže s bilo kojim globalnim seizmičkim signalom uočenim u donjem dijelu plašta. Taj rezultat ukazuje na to da je donji dio plašta relativno lišen silicijevog dioksida, osim možda u lokaliziranim područjima gdje su se oceanske ploče podvukle, objašnjava Driver.
Wilkins, ugledni polaznik Sveučilišta Ohio i profesor fizike na Ohio Stateu, pohvalio je Driverovu odlučnost i domišljatost u provođenju ove studije. Fizičari su koristili metodu pod nazivom kvatna Monte Carlo metoda (QMC), koja je razvijena tijekom istraživanja atomske bombe u 2. svjetskom ratu. Kako bi dobio svoj doktorat, Driver je radio na tome da pokaže kako se metoda može primijeniti na proučavanje minerala u dubokoj unutrašnjosti Zemlje. „Ovaj rad demonstrira koliko sjajan doprinos može dati jedan student diplomac te da se kvantnom Monte Carlo metodom može procijeniti gotovo bilo koje svojstvo minerala kroz širok raspon tlaka i temperature“, kaže Wilkins. Također dodaje da će studija „stimulirati veće korištenje kvantne Monte Carlo metode diljem svijeta kako bi se riješili vitalni problemi.“
Dok su ovi algoritmi postojali više od pola stoljeća, njihova primjena na silicijevom dioksidu bila je donedavno nemoguća, kaže Driver. Izračuni su jednostavno bili previše radno intenzivni. Čak i danas, s dolaskom još moćnijih superračunala i brzim algoritmima koji zahtijevaju manje računalne memorije, izračuni su još uvijek zahtijevali korištenje većeg broja najvećih superračunala u Sjedinjenim Državama, uključujući Centar za superračunala Ohio u Columbusu. „Koristili smo ekvivalent za šest milijuna CPU sati ili više, kako bi modelirali četiri različita stanja silicijevog dioksida“, kaže Driver. On i njegovi kolege očekuju da će se kvantna Monte Carlo metoda koristiti češće u znanosti o materijalima u budućnosti s razvojem sljedeće generacije računala.
Koautori ovog rada su Ronald Cohen s Carnegie Instituta u Washingtonu, Zhigang Wu s Colorado Škole ruda, Burkhard Militzer s Kalifornijskog sveučilišta Berkeley i Pablo López Ríos, Michael Towler i Richard Needs sa Sveučilišta u Cambridgeu. Ovo istraživanje financirala je Nacionalna zaklada za znanost i Energetski odsjek. Računalne resurse dao je Nacionalni centar za atmosferska istraživanja, Nacionalni znanstveni računalni centar za energetska istraživanja, Nacionalni centar za superračunalne aplikacije, Računalni centar za nanotehnološke inovacije, TeraGrid i Centar za superračunala Ohio.
Izvor: Ohio State University
