60% Materi Mengikuti “Aturan Empat”, tetapi Para Ilmuwan Tidak Tahu Alasannya
Para peneliti di EPFL menemukan “Aturan Empat” yang tidak dapat dijelaskan dalam database struktur elektronik, di mana banyak sel satuan material terdiri dari kelipatan empat atom. Meskipun telah dilakukan penyelidikan menyeluruh, tidak ada penyebab jelas yang teridentifikasi, hal ini menggarisbawahi pentingnya melaporkan temuan negatif dalam sains. Pemodelan prediktif memberikan beberapa wawasan, yang menunjukkan bahwa faktor-faktor yang tidak diketahui mungkin dapat menjelaskan pola ini. Kredit: SciTechDaily.com
Para ilmuwan biasanya senang menemukan keteraturan dan korelasi dalam data mereka – tapi hanya jika mereka bisa menjelaskannya. Jika tidak, mereka khawatir bahwa pola-pola tersebut mungkin hanya mengungkap beberapa kelemahan dalam data itu sendiri, yang disebut artefak eksperimental.
Hal itulah yang dikhawatirkan oleh para ilmuwan dalam kelompok Nicola Marzari di Institut Teknologi Federal Swiss di Lausanne (EPFL) ketika mereka melihat pola tak terduga dalam dua database struktur elektronik yang banyak digunakan, database Materials Project (MP) dan Materials Cloud 3-dimensi. database ‘sumber’ struktur kristal (MC3Dsource).
Kedua koleksi tersebut mencakup lebih dari 80.000 struktur elektronik bahan eksperimen dan prediksi, dan pada prinsipnya, semua jenis struktur harus terwakili secara setara. Namun para ilmuwan memperhatikan bahwa sekitar 60 persen struktur di kedua database memiliki sel satuan primitif (sel terkecil dalam struktur kristal) yang terbuat dari kelipatan 4 atom. Para ilmuwan menamakan kekambuhan ini sebagai “Aturan Empat” dan mulai mencari penjelasannya.
Investigasi Awal
“Alasan intuitif pertama bisa datang dari fakta bahwa ketika sel satuan konvensional (sel yang lebih besar dari sel primitif, mewakili simetri penuh kristal) diubah menjadi sel primitif, jumlah atom biasanya berkurang empat kali lipat. ,” kata Elena Gazzarini, mantan rekan INSPIRE Potensi di Laboratorium Teori dan Simulasi Material (THEOS) di EPFL dan sekarang di CERN di Jenewa. “Pertanyaan pertama yang kami ajukan adalah apakah perangkat lunak yang digunakan untuk ‘memprioritaskan’ sel satuan telah melakukannya dengan benar, dan jawabannya adalah ya.”
Dari sudut pandang kimia, dugaan lain yang mungkin adalah bilangan koordinasi silikon (jumlah atom yang dapat berikatan dengannya atom), yaitu empat. “Kami berharap menemukan bahwa semua bahan yang mengikuti aturan empat ini termasuk silikon,” kata Gazzarini. “Tetapi sekali lagi, mereka tidak melakukannya.”
Aturan Empat tidak dapat dijelaskan dengan energi pembentukan senyawa. “Bahan yang paling melimpah di alam haruslah yang paling disukai secara energi, yang berarti bahan yang paling stabil, yaitu bahan dengan energi pembentukan negatif,” kata Gazzarini. “Tetapi apa yang kami lihat dengan metode komputasi klasik adalah tidak ada korelasi antara aturan empat dan energi formasi negatif.”
Karena ruang material yang dicakup oleh kedua database tersebut sangat besar, mulai dari unit kecil hingga sel yang sangat besar dengan lusinan bahan kimia berbeda jenis, masih ada kemungkinan analisis yang lebih halus untuk mencari korelasi antara energi formasi dan sifat kimia dapat memberikan penjelasan. Jadi, tim tersebut melibatkan Rose Cernosky, pakar pembelajaran mesin di Universitas Wisconsin, yang mengembangkan algoritme untuk mengelompokkan struktur berdasarkan sifat atomnya dan melihat energi pembentukan dalam kelas material yang memiliki beberapa kesamaan kimia. Namun sekali lagi, metode ini tidak memberikan cara untuk membedakan materi yang memenuhi aturan empat dari materi yang tidak patuh.
Demikian pula, banyaknya kelipatan empat bahkan tidak berkorelasi dengan struktur yang sangat simetris, melainkan dengan kesimetrian yang rendah dan susunan yang longgar.
Kesimpulan dan Signifikansi Hasil Negatif
Pada akhirnya, artikel yang dihasilkan masuk npj Bahan Komputasi adalah contoh langka dari makalah ilmiah yang menjelaskan hasil negatif: para peneliti hanya dapat mendeskripsikan fenomena tersebut dan mengesampingkan beberapa kemungkinan penyebab, tanpa menemukan satu pun. Namun hasil negatif bisa sama pentingnya dengan hasil positif bagi kemajuan ilmu pengetahuan, karena hasil tersebut menunjukkan masalah yang sulit – itulah sebabnya para ilmuwan sering mengeluh bahwa jurnal harus menerbitkan lebih banyak penelitian serupa.
Kegagalan untuk menemukan penjelasan yang meyakinkan tidak menghalangi kelompok tersebut untuk memprediksi, melalui algoritma Random Forest, dengan ketepatan dari 87% apakah senyawa tertentu akan mengikuti Aturan Empat atau tidak. “Ini menarik karena algoritma ini hanya menggunakan deskriptor simetri lokal dibandingkan global, yang menunjukkan bahwa mungkin ada kelompok kimia kecil di dalam sel (masih dapat ditemukan) yang dapat menjelaskan aturan empat,” kata Gazzarini.
Referensi: “Aturan empat: distribusi anomali dalam stoikiometri senyawa anorganik” oleh Elena Gazzarrini, Rose K. Cersonsky, Marnik Bercx, Carl S. Adorf dan Nicola Marzari, 12 April 2024, npj Bahan Komputasi.
DOI: 10.1038/s41524-024-01248-z
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
