Delle oltre 80.000 strutture elettroniche di materiali sperimentali e previsti studiati, un enorme 60% ha un'unità strutturale di base basata su un multiplo di quattro. La cosa così strana è che il gruppo di ricerca che ha scoperto questo modello non è riuscito a capire perché accade. Tutto quello che sappiamo al momento è che è reale e osservabile. Semplicemente sfugge alla spiegazione.
Lo studio
"Attraverso un'indagine approfondita, in questo lavoro evidenziamo e analizziamo l'abbondanza anomala di composti inorganici la cui cella unitaria primitiva contiene un numero di atomi multiplo di quattro, una proprietà che chiamiamo regola del quattro", scrivono un team guidato da la fisica Elena Gazzarrini, ex Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna in Svizzera, ora al CERN.
"Lo studio fornisce un punto di partenza per future indagini sull'emergere della regola, dato che manca ancora una spiegazione pienamente soddisfacente di tale distribuzione anomala."
Una delle domande più basilari sull'Universo che ci circonda è perché alcune proprietà sono più abbondanti di altre. Perché c'è più materia che antimateria? Perché gli elementi costitutivi della vita sono mancini? E perché i materiali si comportano in questo modo?
Perché i materiali si comportano in questo modo?
Quest'ultimo è di grande interesse per la scienza dei materiali, che cerca di comprendere le proprietà e il comportamento di diverse combinazioni di atomi per aiutarli a svilupparli e perfezionarli. Ma è una questione difficile da affrontare, dal momento che esiste una grande varietà nel modo in cui le particelle possono unirsi.
Questo è il motivo per cui Gazzarrini e i suoi colleghi sono rimasti incuriositi quando hanno notato un modello che sembrava emergere in due database di materiali, il database Materials Project ( MP ) e il database "sorgente" delle strutture cristalline tridimensionali di Materials Cloud ( MC3Dsource ). La maggior parte dei composti inorganici in entrambi i database hanno celle unitarie – ovvero l'unità più piccola possibile che si ripete all'interno di una struttura cristallina – basate su multipli di quattro.
Ciò era preoccupante, perché teoricamente tutti i tipi di struttura dovrebbero essere ugualmente rappresentati in questi database. Il fatto che emerga un modello così dominante potrebbe significare che c'è un difetto nei dati da qualche parte, un errore che non è stato notato.
La possibile risposta al comportamento dei materiali
"Una prima ragione intuitiva potrebbe derivare dal fatto che quando una cella unitaria convenzionale (una cella più grande di quella primitiva, che rappresenta l'intera simmetria del cristallo) viene trasformata in una cella primitiva, il numero di atomi viene tipicamente ridotto di quattro volte ", spiega Gazzarini . "La prima domanda che ci siamo posti è stata se il software utilizzato per 'primitivizzare' la cella unitaria lo avesse fatto correttamente, e la risposta è stata sì."
Una volta esclusi errori evidenti, hanno dovuto scavare più a fondo e cercare altri modelli che potessero spiegare la regola del quattro.
Una possibile spiegazione era il silicio, che può legare altri quattro atomi al suo atomo centrale. Se tutti i composti della regola dei quattro contenessero silicio, ciò risolverebbe il mistero… ma non tutti i materiali contenevano silicio. Allo stesso modo, non c'era alcuna rima o ragione per le energie di formazione della regola dei quattro composti.
Quindi, il passo successivo è stato costruire un algoritmo più potente. Ciò è stato realizzato con l'aiuto dell'ingegnere Rose Cernosky dell'Università del Wisconsin. L'algoritmo ha raggruppato i composti insieme in base alle somiglianze nelle loro proprietà atomiche. Ancora una volta, non c'era alcuno schema distinguibile.
Qualcosa che sfugge
Qualunque cosa la squadra abbia provato, nulla è rimasto bloccato. Lo schema è reale e non sembra essere un errore, ma non c'erano altre proprietà che potessero prevedere con precisione se un composto seguirà o meno la regola del quattro, almeno quando era una persona a fare la previsione.
Quando il team ha analizzato i dati attraverso un algoritmo di apprendimento automatico in grado di ottenere previsioni ad alta precisione dai set di dati, i risultati di output hanno previsto se un composto avrebbe obbedito o meno alla regola del quattro con una precisione fino all'87%. Ciò suggerisce che potrebbe esserci qualcosa che ci sfugge riguardo alla regola dei quattro composti che potrebbe aiutare a spiegare cosa produce lo schema.
Attualmente potrebbe essere difficile studiare i modelli nei materiali; ma i risultati suggeriscono che, con tecniche computazionali sempre più potenti, potremmo essere in grado di iniziare a fare progressi affascinanti.