CM: большинство материалов подчиняются «правилу четырех»

Фото из открытых источников

Анализ обширной базы данных соединений выявил любопытную повторяющуюся закономерность в том, как материя образует сама себя. Из более чем 80 000 изученных электронных структур экспериментальных и предсказанных материалов колоссальные 60 процентов имеют базовую структурную единицу, кратную четырем. Исследование команды опубликовано в журнале npj Computational Materials. 

Самое странное в этом то, что исследовательская группа, обнаружившая эту закономерность, не могла понять, почему это происходит. Все, что мы знаем на данный момент, это то, что это реально и наблюдаемо. Это просто ускользает от объяснения.

«Благодаря обширному исследованию в этой работе мы выявляем и анализируем аномальное изобилие неорганических соединений, примитивная элементарная ячейка которых содержит число атомов, кратное четырем, — свойство, которое мы называем правилом четырех», — пишет группа под руководством физика Елены Газзаррини из ЦЕРНа. «Исследование обеспечивает отправную точку для будущих исследований возникновения правила, учитывая, что полностью удовлетворительного объяснения такого аномального распределения пока нет».

Один из самых основных вопросов об окружающей нас Вселенной заключается в том, почему одних свойств больше, чем других. Почему материи больше, чем антиматерии? Почему строительные блоки жизни левши? И почему материалы ведут себя именно так?

Последний представляет большой интерес для материаловедения, которое стремится понять свойства и поведение различных комбинаций атомов, чтобы помочь в их разработке и совершенствовании. Но это вопрос, к которому трудно подойти, поскольку существует огромное разнообразие способов соединения частиц.

Вот почему Газзаррини и ее коллеги были заинтригованы, когда они заметили закономерность, которая, по-видимому, возникает в двух базах данных материалов: базе данных Materials Project (MP) и базе данных «источников» трехмерных кристаллических структур Materials Cloud (MC3Dsource). Большинство неорганических соединений в обеих базах данных имеют элементарные ячейки – то есть наименьшую возможную единицу, которая повторяется внутри кристаллической структуры – кратную четырем.

Это вызывало беспокойство, поскольку теоретически все типы структур должны быть одинаково представлены в этих базах данных. Появление такого доминирующего шаблона может означать, что где-то в данных есть изъян, ошибка, которая не была замечена.

«Первая интуитивная причина может заключаться в том, что когда обычная элементарная ячейка (ячейка большего размера, чем примитивная, представляющая полную симметрию кристалла) превращается в примитивную ячейку, количество атомов обычно уменьшается в четыре раза», - объясняет Газзарини. «Первый вопрос, который мы задали, заключался в том, правильно ли это сделала программа, используемая для «примитивизации» элементарной ячейки, и ответ был утвердительным».

Как только они исключили очевидные ошибки, им пришлось копать глубже и искать другие закономерности, которые могли бы объяснить правило четырех.

Одним из возможных объяснений был кремний, который может связывать четыре других атома со своим центральным атомом. Если бы все соединения, входящие в правило четырёх, содержали кремний, это бы разгадало загадку… но не во всех материалах содержался кремний. Точно так же не было никакой рифмы или причины для формирования энергий правила четырех соединений.

Итак, следующим шагом было создание более мощного алгоритма. Это было достигнуто с помощью инженера Роуз Черноски из Университета Висконсина. Алгоритм сгруппировал соединения по сходству их атомных свойств. И снова не было никакой заметной закономерности.

Что бы команда ни старалась, ничего не прижилось. Эта закономерность реальна и не выглядит ошибкой, но не было другого свойства, которое могло бы точно предсказать, будет ли соединение следовать правилу четырех – по крайней мере, когда предсказание делал человек.

Когда команда пропустила данные с помощью алгоритма машинного обучения, который может обеспечить высокоточные прогнозы на основе наборов данных, выходные результаты предсказали, будет ли соединение подчиняться правилу четырех с точностью до 87 процентов. Это говорит о том, что в правиле четырех соединений может быть что-то, чего нам не хватает, что могло бы помочь объяснить, что образует эту закономерность.

В настоящее время может быть сложно изучать закономерности в материалах; но результаты показывают, что с помощью еще более мощных вычислительных методов мы, возможно, сможем начать добиваться впечатляющих успехов.