Materialer følger fire-reglen, men forskerne ved endnu ikke hvorfor

Forskere er normalt glade for at finde regelmæssigheder og sammenhænge i deres data - men kun hvis de kan forklare dem. Ellers bekymrer de sig om, at disse mønstre måske blot afslører nogle fejl i selve dataene, såkaldte eksperimentelle artefakter.

Det var videnskabsmænd i Nicola Marzaris gruppe ved det schweiziske føderale institut for teknologi i Lausanne (EPFL) bekymrede over, da de bemærkede et uventet mønster i to meget anvendte databaser med elektroniske strukturer, Materials Project (MP)-databasen og Materials Cloud 3-dimensional. krystalstrukturer 'kilde' database (MC3Dsource).

De to samlinger omfatter over 80.000 elektroniske strukturer af eksperimentelle såvel som forudsagte materialer, og i princippet bør alle typer strukturer være lige repræsenteret. Forskere bemærkede dog, at omkring 60 procent af strukturerne i begge databaser har primitive enhedsceller (den mindst mulige celle i en krystalstruktur) lavet af et multiplum af 4 atomer. Forskerne kaldte denne gentagelse "Rule of Four" og begyndte at lede efter en forklaring.

"En første intuitiv grund kunne komme fra det faktum, at når en konventionel enhedscelle (en større celle end den primitive, der repræsenterer krystallens fulde symmetri) transformeres til en primitiv celle, reduceres antallet af atomer typisk med fire gange ," siger Elena Gazzarini, en tidligere INSPIRE Potentials-stipendiat i Laboratory of Theory and Simulation of Materials (THEOS) ved EPFL og nu ved CERN i Genève.

"Det første spørgsmål, vi stillede, var, om den software, der blev brugt til at 'primitivisere' enhedscellen, havde gjort det korrekt, og svaret var ja."

Fra et kemisk synspunkt var en anden mulig mistænkt koordinationstallet for silicium (antallet af atomer, der kan binde til dets atom), som er fire. "Vi kunne forvente at finde ud af, at alle materialerne efter denne fireregel indeholdt silicium," siger Gazzarini. "Men igen, det gjorde de ikke."

Forbindelsernes dannelsesenergier kunne heller ikke forklare fire-reglen. "De materialer, der er mest udbredt i naturen, bør være de mest energisk favoriserede, hvilket betyder de mest stabile, dem med negativ dannelsesenergi," siger Gazzarini. "Men det, vi så med klassiske beregningsmetoder, var, at der ikke var nogen sammenhæng mellem fire-reglen og negative dannelsesenergier."

Fordi materialerummet dækket af de to databaser er enormt, fra små enheder til meget store celler med snesevis af forskellige kemiske arter, var der stadig en chance for, at en mere raffineret analyse, der leder efter en sammenhæng mellem dannelsesenergier og kemiske egenskaber, kan give en forklaring.

Så holdet involverede Rose Cernosky, en maskinlæringsekspert ved University of Wisconsin, som udviklede en algoritme til at gruppere strukturer efter deres atomare egenskaber og se på dannelsesenergier inden for klasser af materialer, der deler nogle kemiske ligheder. Men igen, denne metode gav ikke en måde at skelne de Rule-of-Four-kompatible materialer fra de ikke-kompatible.

På samme måde korrelerer mængden af ​​multiplum af firere ikke engang med meget symmetriske strukturer, men snarere med lave symmetrier og løst pakkede arrangementer.

Til sidst, den resulterende artikel i npj Computational Materials er det sjældne eksempel på en videnskabelig artikel, der beskriver et negativt resultat:Forskerne kunne kun beskrive fænomenet og udelukke flere mulige årsager uden at finde en.

Men negative resultater kan være lige så vigtige som positive for videnskabelige fremskridt, fordi de peger på vanskelige problemer – hvilket er grunden til, at videnskabsmænd ofte klager over, at tidsskrifter bør offentliggøre flere sådanne undersøgelser.

Manglen på at finde en overbevisende forklaring forhindrede ikke gruppen i at forudsige, gennem en Random Forest-algoritme, med en nøjagtighed på 87 %, om en given forbindelse vil følge fire-reglen eller ej. "Dette er interessant, fordi algoritmen kun bruger lokale snarere end globale symmetrideskriptorer, hvilket tyder på, at der kan være små kemiske grupper i cellerne (stadig at finde), som kan forklare fire-reglen," siger Gazzarini.

Flere oplysninger: Elena Gazzarrini et al., Reglen om fire:unormale fordelinger i støkiometrierne af uorganiske forbindelser, npj Computational Materials (2024). DOI:10.1038/s41524-024-01248-z

Leveret af National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL