新物質(zhì)？新材料？探索元素周期表，機(jī)器學(xué)習(xí)幫你找

鐵頭娃 2019-09-22 13:52:30 來(lái)源：量子位

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(guó)化學(xué)家門捷列夫?qū)?dāng)時(shí)已知的63種元素寫(xiě)在卡片上，根據(jù)化學(xué)和物理性質(zhì)進(jìn)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(zhǎng)式表，特長(zhǎng)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(jī)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(jìn)化！

洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的研究人員，就使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，探索了元素周期表在高維表達(dá)的可能形式。

這些新的元素關(guān)系人類無(wú)法眼見(jiàn)為實(shí)，所以利用機(jī)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(guò)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(jiàn)的化合物形式。

他們通過(guò)對(duì)確定低維度的特征值來(lái)對(duì)高維度的特征向量進(jìn)行簡(jiǎn)化，就像數(shù)學(xué)中為了分析曲線性質(zhì)來(lái)確定坐標(biāo)系一樣。

他們發(fā)現(xiàn)，一些特定元素在低維度會(huì)聚集在一起，

那么這個(gè)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(jìn)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(gè)個(gè)都是獨(dú)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(tuán)；

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(guò)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(kāi)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(huì)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(dú)特性質(zhì)在三維平面中的表現(xiàn)。

也說(shuō)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，則選擇把材料領(lǐng)域作為機(jī)器學(xué)習(xí)的突破口，這個(gè)選擇更為大膽。

他們嘗試做一個(gè)巨量的材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)已知的材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，

來(lái)對(duì)可能出現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)“淘金”，希望能夠預(yù)測(cè)出新材料。

沒(méi)有現(xiàn)成的理論，沒(méi)有直觀可行的數(shù)據(jù)，這條探索之路可以說(shuō)伸手不見(jiàn)五指。

但是，

材料領(lǐng)域論文多??！

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(wàn)篇摘要，掃描了五十萬(wàn)詞匯，其中包括化學(xué)公式。

而機(jī)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(shí)科學(xué)研究得出來(lái)的結(jié)論相符。

按照這個(gè)思路，就可以對(duì)根據(jù)之前機(jī)械學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新材料的性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行分析。

甚至可以在新材料被發(fā)現(xiàn)之前，預(yù)測(cè)相關(guān)的研究方向。

機(jī)器學(xué)習(xí)，經(jīng)驗(yàn)回歸

為什么只是用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)化學(xué)周期表和材料論文淘金，就值得如此重視呢？

因?yàn)檫@代表著化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的背后，是一門經(jīng)驗(yàn)化的科學(xué)，

這個(gè)學(xué)科所有的理論和經(jīng)驗(yàn)，都是依靠不斷的實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)和推翻，以及繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的循環(huán)不斷確定的過(guò)程。

△?圖為拉瓦錫實(shí)驗(yàn)銅像

這個(gè)學(xué)科不能依靠宏觀的理論推導(dǎo)，完美實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的預(yù)演。

另一方面，對(duì)新材料的探索和應(yīng)用研究，還是無(wú)法避免依靠實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)過(guò)程。

人的總結(jié)能力終歸是有限的，而機(jī)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(jìn)行逐步的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

而機(jī)器學(xué)習(xí)，即將把化學(xué)最開(kāi)始的探索手段，實(shí)現(xiàn)出新的價(jià)值。