_ Materialele urmează „ Regula celor patru, dar oamenii de știință încă nu știu de ce

Oamenii de știință sunt în mod normal bucuroși să găsească regularități și corelații în datele lor, dar numai dacă le pot explica. În caz contrar, ei își fac griji că aceste modele ar putea să dezvăluie un defect în datele în sine, așa-numitele artefacte experimentale.

Asta sunt oamenii de știință din grupul lui Nicola Marzari de la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Lausanne (EPFL). îngrijorați când au observat un model neașteptat în două baze de date de structuri electronice utilizate pe scară largă, baza de date Materials Project (MP) și baza de date „sursă” a structurilor de cristal tridimensionale Materials Cloud (MC3Dsource).

Cele două colecțiile includ peste 80.000 de structuri electronice din materiale experimentale, precum și cele prezise și, în principiu, toate tipurile de structuri ar trebui să fie reprezentate în mod egal. Cu toate acestea, oamenii de știință au observat că aproximativ 60 la sută din structurile din ambele baze de date au celule unitare primitive (cea mai mică celulă posibilă dintr-o structură cristalină) formată dintr-un multiplu de 4 atomi. Oamenii de știință au numit această recurență „Regula celor Patru” și au început să caute o explicație.

„Un prim motiv intuitiv ar putea veni din faptul că atunci când o celulă unitară convențională (o celulă mai mare decât cea primitivă, reprezentând simetria completă a cristalului) este transformată într-o celulă primitivă, numărul de atomi este în mod obișnuit redus de patru ori”, spune Elena Gazzarini, fost membru INSPIRE Potentials la Laboratorul de Teorie și Simulare a Materialelor (THEOS) de la EPFL. iar acum la CERN din Geneva.

„Prima întrebare pe care am pus-o a fost dacă software-ul folosit pentru „primitivizarea” celulei unitare a făcut-o corect, iar răspunsul a fost da.”

Din punct de vedere chimic, un alt posibil suspect a fost numărul de coordonare al siliciului (numărul de atomi care se pot lega de atomul său), care este de patru. „Ne-am putea aștepta să descoperim că toate materialele care urmează această Regulă a Patru includ siliciu”, spune Gazzarini. „Dar din nou, nu au făcut-o.”

Energiile de formare ale compușilor nu au putut explica nici regula celor patru. „Materialele care sunt cele mai abundente în natură ar trebui să fie cele mai favorizate energetic, adică cele mai stabile, cele cu energie de formare negativă”, spune Gazzarini. „Dar ceea ce am văzut cu metodele clasice de calcul a fost că nu a existat nicio corelație între Regula lui Patru și energiile de formare negativă.”

Deoarece spațiul materialelor acoperit de cele două baze de date este imens, mergând de la unități mici la celule foarte mari, cu zeci de specii chimice diferite, exista încă șansa ca o analiză mai rafinată care să caute o corelație între energiile de formare și proprietățile chimice să ofere o explicație.

Așadar, echipa a implicat-o pe Rose Cernosky, un expert în învățare automată de la Universitatea din Wisconsin, care a dezvoltat un algoritm pentru a grupa structurile în funcție de proprietățile lor atomice și a analiza energiile de formare în cadrul claselor de materiale care au unele asemănări chimice. Dar, din nou, această metodă nu a oferit o modalitate de a distinge materialele conforme cu Regula de la Patru de cele neconforme.

În mod similar, abundența multiplă de patru nu se corelează nici măcar cu structurile foarte simetrice. ci mai degrabă cu simetrii scăzute și aranjamente slab împachetate.

În final, articolul rezultat din npj Computational Materials este exemplul rar de lucrare științifică care descrie un rezultat negativ: cercetătorii au putut doar descrie fenomenul și regula descoperiți mai multe cauze posibile, fără a găsi una.

Dar rezultatele negative pot fi la fel de importante ca și cele pozitive pentru progresul științific, deoarece indică probleme dificile – motiv pentru care oamenii de știință se plâng adesea că revistele ar trebui să publice mai multe astfel de cauze. studii.

Eșecul de a găsi o explicație convingătoare nu a împiedicat grupul să prezică, printr-un algoritm de pădure aleatorie, cu o precizie de 87% dacă un anumit compus va respecta sau nu regula celor patru. „Acest lucru este interesant, deoarece algoritmul folosește doar descriptori de simetrie locale, mai degrabă decât globale, ceea ce sugerează că pot exista grupuri chimice mici în celule (încă de găsit) care ar putea explica Regula celor Patru”, spune Gazzarini.

(Fluierul)