新物質(zhì)？新材料？探索元素周期表，機器學(xué)習(xí)幫你找
發(fā)現(xiàn)新的周期
鐵頭娃 發(fā)自 凹非寺
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你知道今年是元素周期表誕生150周年嗎？
1869年，俄國化學(xué)家門捷列夫?qū)敃r已知的63種元素寫在卡片上，根據(jù)化學(xué)和物理性質(zhì)進行排列，形成了元素周期表的雛形。
目前常用的元素周期表是短式表，還有長式表，特長表，平面螺線表，圓形表，甚至還有立體周期表。
現(xiàn)在，科學(xué)家們利用機器學(xué)習(xí)，重新挖掘元素間的關(guān)系，探索元素周期表的新形式以及材料的新可能。
元素周期表，進化！
洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的研究人員，就使用機器學(xué)習(xí)的方式，探索了元素周期表在高維表達的可能形式。
這些新的元素關(guān)系人類無法眼見為實，所以利用機器學(xué)習(xí)可以探索更多可能。
他們根據(jù)密度泛函理論導(dǎo)入了近11000種四元素化合物（形式為ABCx2Dx6）的結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)集。
這些化合物的結(jié)構(gòu)通過原子間的位置排布和化學(xué)性質(zhì)，可以被劃定為不同的特征向量。
除此之外，這些化合物包括39種主族元素，包括了很大一部分常見的化合物形式。
他們通過對確定低維度的特征值來對高維度的特征向量進行簡化，就像數(shù)學(xué)中為了分析曲線性質(zhì)來確定坐標系一樣。
他們發(fā)現(xiàn)，一些特定元素在低維度會聚集在一起，
那么這個聚集現(xiàn)象是不是與元素在周期表中的位置相關(guān)呢？
研究者將這些元素的關(guān)系進行可視化處理后，發(fā)現(xiàn)這些元素的關(guān)系和之前人們推導(dǎo)的關(guān)系很接近：
惰性氣體不跟主流元素一起玩，而且個個都是獨行俠；
鹵族元素是一家，代表顏色盡可能一致，堿金屬有樣學(xué)樣也一起抱團；
同族元素中，最短周期元素和其他周期元素涇渭分明，氫元素作為元素周期表的老大，跟其他同組元素比顯得更為突出。
從低維度向高維度的反推過程，也表現(xiàn)出類似的結(jié)果。
但是在特定的數(shù)據(jù)集內(nèi)容限制下，元素之間的關(guān)系發(fā)生了偏移。
在鈣鈦礦中，第一主族元素依舊像以前一樣扎堆，
但是氫元素在算法中表現(xiàn)的的性質(zhì)開始偏向于氫化物，
這樣的氫元素更容易脫離，并與鹵族元素和硫族元素結(jié)合。
△?圖為微觀鈣鈦礦
如果將原有平面三維化，那么氫元素和其他堿性金屬同之前二維平面的結(jié)果相比，距離會變得更近。
這些結(jié)果不但契合了元素的基本分組理論和性質(zhì)，并且元素的獨特性質(zhì)在三維平面中的表現(xiàn)。
也說明了根據(jù)元素的性質(zhì)，元素周期表不只是二維的。
論文摘要去淘金！
加州勞倫斯-伯克利國家實驗室的研究人員，則選擇把材料領(lǐng)域作為機器學(xué)習(xí)的突破口，這個選擇更為大膽。
他們嘗試做一個巨量的材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)據(jù)庫，通過已知的材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，
來對可能出現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)“淘金”，希望能夠預(yù)測出新材料。
沒有現(xiàn)成的理論，沒有直觀可行的數(shù)據(jù)，這條探索之路可以說伸手不見五指。
但是，
材料領(lǐng)域論文多?。?/strong>
于是他們利用了論文中出現(xiàn)的詞匯作為他們的材料科學(xué)數(shù)據(jù)集，
分析文本的算法是現(xiàn)成的，并且在歷史和文學(xué)方面也有應(yīng)用。
所以他們錄入了從1922年到2018年的330萬篇摘要，掃描了五十萬詞匯，其中包括化學(xué)公式。
而機器學(xué)習(xí)的分析結(jié)果也是非常有趣的，例如鎳化鐵就與鐵磁性掛鉤，而鉍化碲則與熱電性質(zhì)相關(guān)，這跟現(xiàn)實科學(xué)研究得出來的結(jié)論相符。
按照這個思路，就可以對根據(jù)之前機械學(xué)習(xí)的經(jīng)驗，對新材料的性質(zhì)和應(yīng)用進行分析。
甚至可以在新材料被發(fā)現(xiàn)之前，預(yù)測相關(guān)的研究方向。
機器學(xué)習(xí)，經(jīng)驗回歸
為什么只是用機器學(xué)習(xí)對化學(xué)周期表和材料論文淘金，就值得如此重視呢？
因為這代表著化學(xué)的經(jīng)驗化研究方式，可以擦凈歷史的塵埃，重現(xiàn)光彩。
化學(xué)，在瓶瓶罐罐分析實驗的背后，是一門經(jīng)驗化的科學(xué)，
這個學(xué)科所有的理論和經(jīng)驗，都是依靠不斷的實驗，統(tǒng)計和推翻，以及繼續(xù)實驗的循環(huán)不斷確定的過程。
△?圖為拉瓦錫實驗銅像
這個學(xué)科不能依靠宏觀的理論推導(dǎo)，完美實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的預(yù)演。
另一方面，對新材料的探索和應(yīng)用研究，還是無法避免依靠實驗的經(jīng)驗總結(jié)過程。
人的總結(jié)能力終歸是有限的，而機器學(xué)習(xí)則極大的拓展了研究者范例總結(jié)的邊界。
化學(xué)的萌芽階段，就是靠從粗淺的現(xiàn)象到深入的性質(zhì)，進行逐步的經(jīng)驗總結(jié)。
而機器學(xué)習(xí)，即將把化學(xué)最開始的探索手段，實現(xiàn)出新的價值。
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