大多数材料似乎都遵循“四法则”，科学家们完全被难住了

对庞大的化合物数据库的分析揭示了物质组成方式中一种奇怪的重复模式。

在所研究的80,000多种实验和预测材料的电子结构中，高达60%具有基于4倍数的基本结构单元。

奇怪的是，发现这种模式的研究小组无法弄清楚为什么会发生这种情况。我们目前所知道的是，它是真实的和可观察的。它只是逃避解释。

“通过广泛的调查，在这项工作中，我们强调并分析了无机化合物的异常丰度，这些化合物的原始晶胞包含许多原子，这些原子是四的倍数，我们称之为四法则。编写团队由物理学家埃琳娜·加扎里尼（Elena Gazzarrini）领导，她曾任职于瑞士洛桑联邦理工学院，现在在欧洲核子研究中心工作。

“这项研究为未来对规则出现的调查提供了一个起点，因为目前还缺乏对这种异常分布的完全令人满意的解释。

关于我们周围宇宙的最基本问题之一是为什么有些属性比其他属性更丰富。为什么会有物质多于反物质?为什么左撇子生活的基石?为什么材料会以这种方式表现？

最后一个对材料科学非常感兴趣，它试图了解不同原子组合的性质和行为，以帮助开发和完善它们。但这是一个很难解决的问题，因为粒子聚集在一起的方式千差万别。

这就是为什么Gazzarrini和她的同事们注意到在两个材料数据库中似乎出现了一种模式时，他们产生了兴趣，即材料项目（MP）数据库和材料云三维晶体结构“源”数据库（MC3D源).大多数无机化合物在两个数据库中都有晶胞– 即在晶体结构中重复的最小可能单位 – 基于 4 的倍数。

这是令人担忧的，因为从理论上讲，所有结构类型都应该在这些数据库中得到平等的表示。出现这种主导模式可能意味着数据在某处存在缺陷，一个没有被注意到的错误。

“第一个直观的原因可能来自这样一个事实，即当传统的晶胞（比原始晶胞更大的晶胞，代表晶体的完全对称性）转化为原始晶胞时，原子的数量通常会减少四倍，”加扎里尼解释道.“我们问的第一个问题是，用于'原始化'晶胞的软件是否正确，答案是肯定的。

一旦他们排除了明显的错误，他们就必须更深入地挖掘，并寻找其他可以解释四法则的模式。

一种可能的解释是硅，它可以结合其他四个原子到它的中心原子。如果四种化合物的规则都含有硅，那将解开这个谜团......但并非所有材料都含有硅。同样，没有押韵或理由地层能量四种化合物的规则。

因此，下一步是构建更强大的算法。这是在威斯康星大学工程师Rose Cernosky的帮助下完成的。该算法根据化合物原子性质的相似性将化合物分组在一起。再一次，没有明显的模式。

无论团队尝试什么，都没有卡住。这种模式是真实的，似乎不是一个错误，但没有其他性质可以准确地预测一个化合物是否会遵循四法则——至少当一个人是进行预测的人时。

当团队运行数据时机器学习算法可以从数据集中实现高精度预测，输出结果预测化合物是否遵守四法则，准确率高达87%。这表明，关于四种化合物的规则，我们可能缺少一些东西，可以帮助解释产生这种模式的原因。

目前可能很难研究材料中的图案;但研究结果表明，随着越来越强大的计算技术，我们也许能够开始取得一些令人着迷的进展。

该团队的研究已发表在npj 计算材料.

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