大多數材料似乎都遵循“四法則”，科學家們完全被難住了

對龐大的化合物數據庫的分析揭示了物質組成方式中一種奇怪的重復模式。

在所研究的80,000多種實驗和預測材料的電子結構中，高達60%具有基于4倍數的基本結構單元。

奇怪的是，發現這種模式的研究小組無法弄清楚為什么會發生這種情況。我們目前所知道的是，它是真實的和可觀察的。它只是逃避解釋。

“通過廣泛的調查，在這項工作中，我們強調并分析了無機化合物的異常豐度，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，我們稱之為四法則。編寫團隊由物理學家埃琳娜·加扎里尼（Elena Gazzarrini）領導，她曾任職于瑞士洛桑聯邦理工學院，現在在歐洲核子研究中心工作。

“這項研究為未來對規則出現的調查提供了一個起點，因為目前還缺乏對這種異常分布的完全令人滿意的解釋。

關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。為什么會有物質多于反物質?為什么左撇子生活的基石?為什么材料會以這種方式表現？

最后一個對材料科學非常感興趣，它試圖了解不同原子組合的性質和行為，以幫助開發和完善它們。但這是一個很難解決的問題，因為粒子聚集在一起的方式千差萬別。

這就是為什么Gazzarrini和她的同事們注意到在兩個材料數據庫中似乎出現了一種模式時，他們產生了興趣，即材料項目（MP）數據庫和材料云三維晶體結構“源”數據庫（MC3D源).大多數無機化合物在兩個數據庫中都有晶胞– 即在晶體結構中重復的最小可能單位 – 基于 4 的倍數。

這是令人擔憂的，因為從理論上講，所有結構類型都應該在這些數據庫中得到平等的表示。出現這種主導模式可能意味著數據在某處存在缺陷，一個沒有被注意到的錯誤。

“第一個直觀的原因可能來自這樣一個事實，即當傳統的晶胞（比原始晶胞更大的晶胞，代表晶體的完全對稱性）轉化為原始晶胞時，原子的數量通常會減少四倍，”加扎里尼解釋道.“我們問的第一個問題是，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，它可以結合其他四個原子到它的中心原子。如果四種化合物的規則都含有硅，那將解開這個謎團......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則。

因此，下一步是構建更強大的算法。這是在威斯康星大學工程師Rose Cernosky的幫助下完成的。該算法根據化合物原子性質的相似性將化合物分組在一起。再一次，沒有明顯的模式。

無論團隊嘗試什么，都沒有卡住。這種模式是真實的，似乎不是一個錯誤，但沒有其他性質可以準確地預測一個化合物是否會遵循四法則——至少當一個人是進行預測的人時。

當團隊運行數據時機器學習算法可以從數據集中實現高精度預測，輸出結果預測化合物是否遵守四法則，準確率高達87%。這表明，關于四種化合物的規則，我們可能缺少一些東西，可以幫助解釋產生這種模式的原因。

目前可能很難研究材料中的圖案;但研究結果表明，隨著越來越強大的計算技術，我們也許能夠開始取得一些令人著迷的進展。

該團隊的研究已發表在npj 計算材料.

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