חוקרים ב-EPFL גילו "כלל ארבע" בלתי מוסבר במסדי נתונים של מבנה אלקטרוני, שבהם תאי יחידות של חומרים רבים מורכבים מכפולות של ארבעה אטומים. למרות חקירה מעמיקה, לא זוהתה סיבה ברורה, מה שמדגיש את המשמעות של דיווח על ממצאים שליליים במדע. מודלים חזויים סיפקו תובנה מסוימת, מה שמצביע על כך שגורמים לא ידועים עשויים להסביר דפוס זה. קרדיט: twoday.co.il.com
מדענים בדרך כלל שמחים למצוא חוקיות ומתאמים בנתונים שלהם – אבל רק אם הם יכולים להסביר אותם. אחרת, הם חוששים שהדפוסים האלה עשויים רק לחשוף פגם כלשהו בנתונים עצמם, מה שנקרא חפצים ניסיוניים.
זה מה שמדענים בקבוצתו של ניקולה מרזארי במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה בלוזאן (EPFL) דאגו כאשר הבחינו בדפוס בלתי צפוי בשני מסדי נתונים בשימוש נרחב של מבנים אלקטרוניים, מסד הנתונים Materials Project (MP) ו- Materials Cloud תלת-ממדי מסד נתונים 'מקור' של מבני גביש (MC3Dsource).
שני האוספים כוללים מעל 80,000 מבנים אלקטרוניים של חומרים ניסיוניים כמו גם חזויים, ובאופן עקרוני, כל סוגי המבנים צריכים להיות מיוצגים באופן שווה. אבל מדענים שמו לב שבסביבות 60 אחוז מהמבנים בשני מסדי הנתונים יש תאי יחידה פרימיטיביים (התא הקטן ביותר האפשרי במבנה גבישי) המורכב מכפולה של 4 אטומים. המדענים כינו את ההישנות הזו "כלל הארבעה" והחלו לחפש הסבר.
חקירות ראשוניות
"סיבה אינטואיטיבית ראשונה יכולה לנבוע מהעובדה שכאשר תא יחידה קונבנציונלי (תא גדול יותר מהפרימיטיבי, המייצג את הסימטריה המלאה של הגביש) הופך לתא פרימיטיבי, מספר האטומים מצטמצם בדרך כלל פי ארבעה ," אומרת אלנה גזאריני, עמיתת INSPIRE Potentials לשעבר במעבדה לתיאוריה וסימולציה של חומרים (THEOS) ב-EPFL ועכשיו ב-EPFL. CERN בז'נבה. "השאלה הראשונה ששאלנו הייתה האם התוכנה המשמשת ל'פרימיטיביזציה' של תא היחידה עשתה זאת בצורה נכונה, והתשובה הייתה כן."
מנקודת מבט כימית, חשוד אפשרי נוסף היה מספר התיאום של הסיליקון (מספר האטומים שיכולים להיקשר אליו אָטוֹם), שזה ארבע. "יכולנו לצפות לגלות שכל החומרים בעקבות כלל זה של ארבע כללו סיליקון", אומר גזאריני. "אבל שוב, הם לא עשו זאת."
גם את חוק הארבעה לא ניתן היה להסביר על ידי אנרגיות ההיווצרות של התרכובות. "החומרים הנפוצים ביותר בטבע צריכים להיות המועדפים ביותר מבחינה אנרגטית, כלומר החומרים היציבים ביותר, אלה עם אנרגיית היווצרות שלילית", אומר גזאריני. "אבל מה שראינו בשיטות חישוביות קלאסיות היה שאין מתאם בין כלל הארבע לבין אנרגיות היווצרות שליליות."
מכיוון שמרחב החומרים המכוסה על ידי שני מאגרי המידע הוא עצום, עובר מיחידות קטנות לתאים גדולים מאוד עם עשרות כימיקלים שונים מִין, עדיין היה סיכוי שניתוח מעודן יותר המחפש מתאם בין אנרגיות היווצרות ותכונות כימיות עשוי לספק הסבר. אז, הצוות כלל את רוז סרנוסקי, מומחית ללימוד מכונות מאוניברסיטת ויסקונסין, שפיתחה אלגוריתם לקבץ מבנים לפי התכונות האטומיות שלהם ולהסתכל על אנרגיות היווצרות בתוך מחלקות של חומרים החולקים כמה קווי דמיון כימיים. אבל שוב, שיטה זו לא סיפקה דרך להבחין בין החומרים התואמים לכלל ארבעת החומרים שאינם עומדים בדרישות.
באופן דומה, השפע של כפול ארבע אפילו אינו מתאם עם מבנים סימטריים מאוד, אלא עם סימטריות נמוכות וסידורים ארוזים באופן רופף.
מסקנה ומשמעות של תוצאות שליליות
בסופו של דבר, המאמר שהתקבל ב npj חומרים חישוביים היא הדוגמה הנדירה למאמר מדעי המתאר תוצאה שלילית: החוקרים יכלו רק לתאר את התופעה ולשלול כמה סיבות אפשריות, מבלי למצוא אחת. אבל תוצאות שליליות יכולות להיות חשובות לא פחות מתוצאות חיוביות להתקדמות מדעית, מכיוון שהן מצביעות על בעיות קשות – וזו הסיבה שמדענים מתלוננים לעתים קרובות שכתבי עת צריכים לפרסם יותר מחקרים כאלה.
הכישלון במציאת הסבר משכנע לא מנע מהקבוצה לחזות, באמצעות אלגוריתם Random Forest, עם דיוק של 87% אם מתחם נתון יפעל לפי חוק הארבעה או לא. "זה מעניין מכיוון שהאלגוריתם משתמש רק בתיאורי סימטריה מקומיים ולא גלובליים, מה שמצביע על כך שייתכן שיש קבוצות כימיות קטנות בתאים (עדיין לא נמצאות) שעשויות להסביר את כלל הארבעה", אומר Gazzarini.
