Учените са напълно озадачени: повечето материали се подчиняват на странното „правило на четирите“

Анализът на една огромна база данни от химични съединения разкри интересен повтарящ се модел в начина, по който се изгражда материята.

По принцип учените често си задават въпроса, защо материалите са с определени характеристики, с които се различават от другите материали. Същото се отнася и за химичните вещества. Това е фундаментален въпрос в науката за материалите, който традиционно е труден за решаване, като се има предвид огромния брой конфигурации на различните материали. Но сега швейцарски изследователи откриха закономерност, която не може да бъде обяснена със сегашното ниво на науката. Наблюденията и анализите показват, че е налично аномално изобилие от неорганични съединения, чиято най-малка и най-примитивна клетка съдържа брой атоми кратен на четири.

От над 80 000 изследвани електронни структури на експериментални и прогнозни материали, 60% имат основна структурна единица, базирана на число, кратно на четири.

Странното в случая е, че изследователският екип, открил тази закономерност, не е могъл да разбере защо се получава така. Единственото, което знаем в момента, е, че това е реално и може да се наблюдава. Те просто избягват всякакви обяснения.

„Чрез обширно изследване в тази научна работа подчертаваме и анализираме аномалното изобилие на неорганични съединения, чиято примитивна единична клетка съдържа брой атоми, който е кратен на четири. Това е странно свойство, което наричаме „правилото на четирите“ (rule of four – RoF),

пишат от екипа, ръководен от физика Елена Газарини. А преди това от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана, Швейцария, а сега в ЦЕРН.

„Изследването дава отправна точка за бъдещи проучвания за проявата на правилото, като се има предвид, че все още липсва каквото и да било напълно задоволително обяснение на това аномално разпределение“.

Един от най-основните въпроси за заобикалящата ни Вселена е защо някои свойства са по-разпространени от други. Защо има повече материя, отколкото антиматерия? Защо градивните елементи на живота са ляво ориентирани? И защо материалите се държат по начина, по който се държат?

Последното е от голям интерес за материалознанието, което се стреми да разбере свойствата и поведението на различни комбинации от атоми, за да помогне за тяхното разработване и усъвършенстване. Но това е въпрос, към който е трудно да се подходи, понеже има изключително голямо разнообразие в начините, по които частиците могат да се съединяват.

Ето защо Гацарини и нейните колеги силно са се заинтригували, когато са забелязали, че в две бази данни за материали – базата данни Materials Project (MP) и базата данни Materials Cloud 3-dimensional crystal structures „source“ (MC3Dsource) – се появява тази закономерност. По-голямата част от неорганичните съединения в двете бази данни имат единични клетки. Това е най-малката възможна единица, която се повтаря в кристалната структура и се състои от кратни на четири единици.

Това е много притеснително, тъй като теоретично всички типове структури би трябвало да са еднакво представени в тези бази данни. Появата на такъв доминиращ модел може да означава, че някъде в данните има недостатък, грешка, която не е била забелязана.

„Първата интуитивно разбираема причина би могла да се дължи на факта, че когато конвенционалната единична клетка (по-голяма клетка от примитивната, представляваща пълната симетрия на кристала) се трансформира в примитивна клетка, броят на атомите обикновено намалява четири пъти“,

обяснява Гацарини.

„Първият въпрос, който си зададохме, беше дали софтуерът, използван за „примитивизирането“ на единичната клетка, го е направил коректно. Отговорът е категорично да“.

След като изключват очевидните грешки, учените се задълбочават и търсят други закономерности, които биха могли да обяснят правилото на четирите.

Едно от възможните обяснения би могъл да бъде силицият, който може да свърже четири други атома с централния си атом. Ако всички съединения с правилото на четирите съдържаха силиций, това би разрешило загадката. Само че далеч не всички вещества съдържат силиций. Също така, нямаше логика или причина за енергиите на образуване на съединенията да спазват това невероятно „правило на четирите“.

Така че следващата стъпка е била да се създаде по-мощен алгоритъм. Това бе постигнато с помощта на инженер Роуз Черноски от Университета на Уисконсин. Алгоритъмът групира съединенията според сходствата в атомните им свойства. За пореден път не бе открита никаква забележима закономерност.

Каквото и да опитва екипа, нищо не се получава. Моделът е реален и не се дължи на грешка. Но няма друго свойство, което да може точно да прогнозира дали дадено съединение ще следва правилото на четирите. Поне докато човекът е този, който прави прогнозите.

Екипът прекарва данните през алгоритъм за машинно обучение, който може да постигне висока точност на прогнозите от набори от данни. Този ИИ алгоритъм може да прогнозира дали дадено съединение ще се подчини на правилото на четирите с точност до 87%. Това предполага, че може да има нещо, което не разбираме за правилото на четирите при веществата. Нещо което би могло да ни помогне да си обясним от какво се поражда този твърде странен модел.

Понастоящем изследването на моделите във веществата може да е трудно. Но откритията показват, че с все по-мощните изчислителни техники може би ще успеем да започнем да постигаме впечатляващ напредък. Откриването на модели от подобен род може да доведе до създаването на материали със съвсем непознати досега свойства.