Wat zit er in het middelpunt van onze planeet Aarde? We denken het te weten: ijzer, nagenoeg zuiver ijzer. Ondanks de hoge temperatuur die daar heerst (6000 K), is dat ijzer niet gesmolten. Dat komt door de bijzonder hoge druk van 350 GPa, die er voor zorgt dat een stuk ijzer dat op het aardoppervlak de grootte van een voetbal heeft (diameter 22 cm) in het middelpunt van de planeet ingekrompen is tot een bal met een diameter van 19 cm (2/3 van het oorspronkelijk volume). Geofysici noemen dit vaste binnenste deel van de Aarde de binnenkern (“inner core”).

Een kern van vast of vloeibaar ijzer is niet uniek voorde Aarde alleen: ook Mercurius, Venus, Mars en de Maan hebben ijzeren kernen met verschillende eigenschappen. Momenteel worden in hoog tempo planeten ontdekt in andere zonnestelsels (exoplaneten). Er is een grote spreiding op hun eigenschappen, en er wordt verwacht dat een aantal van deze exoplaneten eveneens een binnenkern van ijzer kunnen bevatten, onder nog veel hogere drukken en temperaturen dan bij de aarde het geval is. Meerdere TPa (tera-pascal) zijn niet onmogelijk.

Onze kennis over het gedrag van materie onder zulke extreme omstandigheden is altijd indirect, bijvoorbeeld via seismografische waarnemingen. Zelfs voor de Aarde kunnen we geen stalen nemen: de diepste boringen gaan tot 12 km, wat maar 0.2% is van de afstand die ons scheidt van de binnenkern. Kijken wat vulkanen naar buiten spuwen is geen oplossing, omdat die enkel materiaal van de vloeibare mantel aanleveren. Dan maar de omstandigheden van de binnenkern nabootsen in een labo? Sinds kort kunnen de druk en temperatuur van de Aardse binnenkern inderdaad experimenteel gereproduceerd worden, maar voor de nog extremere omstandigheden in exoplaneten zal dat nog lang onhaalbaar blijven. De beste kandidaat om materie onder deze omstandigheden te bestuderen zijn kwantummechanische computersimulaties.

Bij deze thesis ga je onderzoeken in welke mate zogenaamde “ab initio moleculaire dynamica” geschikt is om nieuwe informatie te verkrijgen over ijzer en ijzerlegeringen onder hoge druk en temperatuur. Bij dergelijke berekeningen worden de fundamentele vergelijkingen die de interactie tussen atoomkernen en elektronen beschrijven zo nauwkeurig mogelijk opgelost, zonder experimentele of fitbare parameters te gebruiken (‘ab initio’). Bovendien wordt het materiaal als functie van de tijd gevolgd (‘dynamica’), waardoor informatie over bvb. roostertrillingen en smeltgedrag kan worden verkregen.
Je gaat in eerste instantie kijken naar relatief lage drukken en temperaturen in de buurt van het tripelpunt van Fe. Daarvoor is voldoende betrouwbare experimentele informatie beschikbaar, wat interessant is om een computationele methode te testen. Deze omstandigheden komen overeen met de kern van Mercurius. Je kan kiezen uit twee concrete onderzoeksvragen:

(1) Welke invloed heeft een kleine toevoeging van zwavel op de smelttemperatuur van ijzer? Er wordt immers vermoed dat er in de ijzerkernen tot enkele procenten zwavel voorkomt. Dit zou merkbare gevolgen kunnen hebben voor de eigenschappen van een binnenkern.

(2) Welke temperatuur is de grens tussen het gebied waar de vrije energie van Fe goed beschreven kan worden met het fononformalisme (quasiharmonische roostertrilling, ‘lage’ temperatuur) en het gebied waar moleculaire dynamica noodzakelijk is (anharmonische effecten, smelten)? Met een combinatie van beide methoden slaag je er misschien in om -Fe (hcp) bij een druk van 75 GPa over het hele temperatuursgebied (tot aan de smeltlijn) beschrijven. Als dat lukt, dan opent dit de deur naar betrouwbare simulaties bij veel hogere drukken en temperaturen.

Dit onderzoek wordt uitgevoerd binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering, in samenwerking met de Koninklijke Sterrenwacht. Voorkennis van kwantumfysische computerpakketten is geen vereiste, geïnteresseerde studenten krijgen de nodige opleiding hieromtrent.