大多數(shù)材料似乎都遵循“四法則”，科學(xué)家們完全被難住了

對(duì)龐大的化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的分析揭示了物質(zhì)組成方式中一種奇怪的重復(fù)模式。

在所研究的80,000多種實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)材料的電子結(jié)構(gòu)中，高達(dá)60%具有基于4倍數(shù)的基本結(jié)構(gòu)單元。

奇怪的是，發(fā)現(xiàn)這種模式的研究小組無(wú)法弄清楚為什么會(huì)發(fā)生這種情況。我們目前所知道的是，它是真實(shí)的和可觀察的。它只是逃避解釋。

“通過(guò)廣泛的調(diào)查，在這項(xiàng)工作中，我們強(qiáng)調(diào)并分析了無(wú)機(jī)化合物的異常豐度，這些化合物的原始晶胞包含許多原子，這些原子是四的倍數(shù)，我們稱(chēng)之為四法則。編寫(xiě)團(tuán)隊(duì)由物理學(xué)家埃琳娜·加扎里尼（Elena Gazzarrini）領(lǐng)導(dǎo)，她曾任職于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，現(xiàn)在在歐洲核子研究中心工作。

“這項(xiàng)研究為未來(lái)對(duì)規(guī)則出現(xiàn)的調(diào)查提供了一個(gè)起點(diǎn)，因?yàn)槟壳斑€缺乏對(duì)這種異常分布的完全令人滿意的解釋。

關(guān)于我們周?chē)钪娴淖罨締?wèn)題之一是為什么有些屬性比其他屬性更豐富。為什么會(huì)有物質(zhì)多于反物質(zhì)?為什么左撇子生活的基石?為什么材料會(huì)以這種方式表現(xiàn)？

最后一個(gè)對(duì)材料科學(xué)非常感興趣，它試圖了解不同原子組合的性質(zhì)和行為，以幫助開(kāi)發(fā)和完善它們。但這是一個(gè)很難解決的問(wèn)題，因?yàn)榱Ｗ泳奂谝黄鸬姆绞角Р钊f(wàn)別。

這就是為什么Gazzarrini和她的同事們注意到在兩個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)中似乎出現(xiàn)了一種模式時(shí)，他們產(chǎn)生了興趣，即材料項(xiàng)目（MP）數(shù)據(jù)庫(kù)和材料云三維晶體結(jié)構(gòu)“源”數(shù)據(jù)庫(kù)（MC3D源).大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中都有晶胞– 即在晶體結(jié)構(gòu)中重復(fù)的最小可能單位 – 基于 4 的倍數(shù)。

這是令人擔(dān)憂的，因?yàn)閺睦碚撋现v，所有結(jié)構(gòu)類(lèi)型都應(yīng)該在這些數(shù)據(jù)庫(kù)中得到平等的表示。出現(xiàn)這種主導(dǎo)模式可能意味著數(shù)據(jù)在某處存在缺陷，一個(gè)沒(méi)有被注意到的錯(cuò)誤。

“第一個(gè)直觀的原因可能來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即當(dāng)傳統(tǒng)的晶胞（比原始晶胞更大的晶胞，代表晶體的完全對(duì)稱(chēng)性）轉(zhuǎn)化為原始晶胞時(shí)，原子的數(shù)量通常會(huì)減少四倍，”加扎里尼解釋道.“我們問(wèn)的第一個(gè)問(wèn)題是，用于'原始化'晶胞的軟件是否正確，答案是肯定的。

一旦他們排除了明顯的錯(cuò)誤，他們就必須更深入地挖掘，并尋找其他可以解釋四法則的模式。

一種可能的解釋是硅，它可以結(jié)合其他四個(gè)原子到它的中心原子。如果四種化合物的規(guī)則都含有硅，那將解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)......但并非所有材料都含有硅。同樣，沒(méi)有押韻或理由地層能量四種化合物的規(guī)則。

因此，下一步是構(gòu)建更強(qiáng)大的算法。這是在威斯康星大學(xué)工程師Rose Cernosky的幫助下完成的。該算法根據(jù)化合物原子性質(zhì)的相似性將化合物分組在一起。再一次，沒(méi)有明顯的模式。

無(wú)論團(tuán)隊(duì)嘗試什么，都沒(méi)有卡住。這種模式是真實(shí)的，似乎不是一個(gè)錯(cuò)誤，但沒(méi)有其他性質(zhì)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一個(gè)化合物是否會(huì)遵循四法則——至少當(dāng)一個(gè)人是進(jìn)行預(yù)測(cè)的人時(shí)。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以從數(shù)據(jù)集中實(shí)現(xiàn)高精度預(yù)測(cè)，輸出結(jié)果預(yù)測(cè)化合物是否遵守四法則，準(zhǔn)確率高達(dá)87%。這表明，關(guān)于四種化合物的規(guī)則，我們可能缺少一些東西，可以幫助解釋產(chǎn)生這種模式的原因。

目前可能很難研究材料中的圖案;但研究結(jié)果表明，隨著越來(lái)越強(qiáng)大的計(jì)算技術(shù)，我們也許能夠開(kāi)始取得一些令人著迷的進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)的研究已發(fā)表在npj 計(jì)算材料.

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