Malzemelerin %60'ı “Dört Kuralı”na Uyuyor Ancak Bilim Adamları Nedenini Bilmiyor

EPFL'deki araştırmacılar, elektronik yapı veritabanlarında, birçok malzemenin birim hücrelerinin dört atomun katlarından oluştuğu açıklanamayan bir “Dört Kuralı” keşfettiler. Kapsamlı araştırmaya rağmen net bir neden belirlenemedi; bu da bilimde olumsuz bulguların raporlanmasının önemini vurguluyor. Tahmine dayalı modelleme, bilinmeyen faktörlerin bu modeli açıklayabileceğini gösteren bir fikir sağladı. 

Bilim insanları normalde verilerindeki düzenlilikleri ve korelasyonları bulmaktan mutluluk duyarlar, ancak bunu ancak bunları açıklayabilirlerse yapabilirler. Aksi takdirde, bu modellerin yalnızca verinin kendisinde deneysel eserler olarak adlandırılan bazı kusurları ortaya çıkarabileceğinden endişeleniyorlar. Lozan'daki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'ndeki (EPFL) Nicola Marzari'nin grubundaki bilim adamları, yaygın olarak kullanılan iki elektronik yapı veri tabanında, Material Project (MP) veri tabanında ve Material Cloud 3-D'de beklenmedik bir model fark ettiklerinde endişelendiler. kristal yapılar 'kaynak' veritabanı (MC3Dsource) . 

İki koleksiyon, 80.000'in üzerinde deneysel ve tahmin edilen materyalin elektronik yapısını içermektedir ve prensip olarak tüm yapı türleri eşit şekilde temsil edilmelidir. Ancak bilim insanları, her iki veri tabanındaki yapıların yaklaşık yüzde 60'ının, 4 atomun katlarından oluşan ilkel birim hücrelere (kristal yapıdaki mümkün olan en küçük hücre) sahip olduğunu fark etti. Bilim insanları bu tekrara "Dört Kuralı" adını verdiler ve bir açıklama aramaya başladılar.

İlk Araştırmalar 

"İlk sezgisel neden, geleneksel bir birim hücrenin (kristalin tam simetrisini temsil eden, ilkel olandan daha büyük bir hücre) ilkel bir hücreye dönüştürüldüğü zaman, atom sayısının tipik olarak dört kat azalması gerçeğinden kaynaklanabilir. EPFL'deki ve şu anda Cenevre'deki CERN'deki Malzeme Teorisi ve Simülasyonu Laboratuvarı'nda (THEOS) eski bir INSPIRE Potansiyelleri üyesi olan Elena Gazzarini diyor . "Sorduğumuz ilk soru, birim hücreyi 'ilkelleştirmek' için kullanılan yazılımın bunu doğru yapıp yapmadığıydı ve yanıtımız evetti."

Kimyasal açıdan bakıldığında, bir başka olası şüpheli de silikonun dört olan koordinasyon sayısıdır ( atomuna bağlanabilen atomların sayısı ). Gazzarini, "Bu dört kuralına uyan tüm malzemelerin silikon içerdiğini bulmayı bekleyebiliriz" diyor. “Fakat yine yapmadılar.” Dört Kuralı bileşiklerin oluşum enerjileriyle de açıklanamamıştır. Gazzarini, "Doğada en bol bulunan malzemeler, enerji açısından en çok tercih edilenler, yani en kararlı olanlar, negatif oluşum enerjisine sahip olanlar olmalıdır" diyor. "Fakat klasik hesaplama yöntemlerinde gördüğümüz şey, dört kuralı ile negatif oluşum enerjileri arasında hiçbir korelasyon olmamasıydı.

"İki veri tabanının kapladığı malzeme alanı çok büyük olduğundan, küçük birimlerden düzinelerce farklı kimyasal tür içeren çok büyük hücrelere doğru gidildikçe , oluşum enerjileri ile kimyasal özellikler arasında bir korelasyon arayan daha rafine bir analizin, açıklama. Bu nedenle ekip, yapıları atomik özelliklerine göre gruplandıran ve bazı kimyasal benzerlikleri paylaşan malzeme sınıflarının oluşum enerjilerine bakan bir algoritma geliştiren Wisconsin Üniversitesi'nden makine öğrenimi uzmanı Rose Cernosky'yi de dahil etti. Ancak yine bu yöntem, dört kuralına uygun materyalleri uyumlu olmayanlardan ayırmanın bir yolunu sunmuyordu. Benzer şekilde, dördün katlarının çokluğu yüksek derecede simetrik yapılarla değil, daha ziyade düşük simetriler ve gevşek bir şekilde paketlenmiş düzenlemelerle ilişkilidir.

Sonuç ve Olumsuz Sonuçların Önemi 

Sonuçta, npj Computational Materials'da ortaya çıkan makale , olumsuz bir sonucu açıklayan nadir bir bilimsel makale örneğidir: Araştırmacılar, fenomeni yalnızca tanımlayabildiler ve herhangi bir sebep bulamadan birkaç olası nedeni eleyebildiler. Ancak bilimsel ilerleme açısından olumsuz sonuçlar da olumlu olanlar kadar önemli olabilir, çünkü bunlar zor sorunlara işaret eder; bu nedenle bilim insanları sıklıkla dergilerin bu tür çalışmaları daha fazla yayınlaması gerektiğinden şikayet ederler. Zorlayıcı bir açıklamanın bulunamaması, grubun Rastgele Orman algoritması aracılığıyla belirli bir bileşiğin Dört Kuralına uyup uymayacağını %87 doğrulukla tahmin etmesini engellemedi. Gazzarini, "Bu ilginç çünkü algoritma küresel simetri tanımlayıcıları yerine yalnızca yerel simetri tanımlayıcılarını kullanıyor; bu da hücrelerde dört kuralını açıklayabilecek (hala bulunacak olan) küçük kimyasal grupların olabileceğini gösteriyor" diyor Gazzarini.