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

對龐大的化合物數(shù)據(jù)庫的分析揭示了物質(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。

“通過廣泛的調(diào)查，在這項(xiàng)工作中，我們強(qiáng)調(diào)并分析了無機(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)，我們稱之為四法則。編寫團(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)研究為未來對規(guī)則出現(xiàn)的調(diào)查提供了一個(gè)起點(diǎn)，因?yàn)槟壳斑€缺乏對這種異常分布的完全令人滿意的解釋。

關(guān)于我們周圍宇宙的最基本問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，以幫助開發(fā)和完善它們。但這是一個(gè)很難解決的問題，因?yàn)榱Ｗ泳奂谝黄鸬姆绞角Р钊f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)庫和材料云三維晶體結(jié)構(gòu)“源”數(shù)據(jù)庫（MC3D源).大多數(shù)無機(jī)化合物在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫中都有晶胞– 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)類型都應(yīng)該在這些數(shù)據(jù)庫中得到平等的表示。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)沒有被注意到的錯(cuò)誤。

“第一個(gè)直觀的原因可能來自這樣一個(gè)事實(shí)，即當(dāng)傳統(tǒng)的晶胞（比原始晶胞更大的晶胞，代表晶體的完全對稱性）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.“我們問的第一個(gè)問題是，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，那將解開這個(gè)謎團(tuán)......但并非所有材料都含有硅。同樣，沒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，沒有明顯的模式。

無論團(tuán)隊(duì)嘗試什么，都沒有卡住。這種模式是真實(shí)的，似乎不是一個(gè)錯(cuò)誤，但沒有其他性質(zhì)可以準(zhǔn)確地預(yù)測一個(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，輸出結(jié)果預(yù)測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，隨著越來越強(qiáng)大的計(jì)算技術(shù)，我們也許能夠開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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