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化學(xué)元素幾乎構(gòu)成了物理世界的一切。截至2016年，人類已知的元素?cái)?shù)量為118種，所有這些元素都能在掛在每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和教室內(nèi)的元素周期表中找到。元素周期表中的每個(gè)元素都以1個(gè)或者2個(gè)字母的縮寫出現(xiàn)，例如“O”代表氧氣，“Al”代表鋁。
同時(shí)周期表上還會(huì)表明它們的原子序數(shù)，這表明該元素的原子核中有多少質(zhì)子。質(zhì)子數(shù)是非常重要的，因?yàn)樗€決定了有多少電子圍繞原子核運(yùn)行，這基本上使元素成為它是什么，并使它具有化學(xué)性質(zhì)。簡而言之，原子序數(shù)是一個(gè)元素的身份證。
近日發(fā)表在《Nature Chemistry》的論文中，來自EPFL基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院的化學(xué)工程師在對(duì)元素周期表進(jìn)行深入研究之后，發(fā)現(xiàn)了每個(gè)元素必須要報(bào)告的另一組關(guān)鍵數(shù)字：元素的氧化態(tài)，也稱之為氧化數(shù)。簡單地說，氧化態(tài)描述了一個(gè)原子必須獲得或失去多少個(gè)電子，才能與另一個(gè)原子形成化學(xué)鍵。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Berend Smit教授說：“在化學(xué)中，氧化態(tài)總是在一個(gè)化合物的化學(xué)名稱中報(bào)告。氧化態(tài)在化學(xué)基礎(chǔ)中發(fā)揮著如此重要的作用，以至于有些人認(rèn)為它們應(yīng)該被代表為周期表的第三維。一個(gè)很好的例子是鉻：在氧化態(tài)III中，它是人體所必需的；在氧化態(tài)IV中，它是極其有毒的”。
如果弄清某個(gè)元素的氧化態(tài)是非常直接的，但涉及到由多種元素組成的化合物時(shí)，事情就變得復(fù)雜了。Smit教授說：“對(duì)于復(fù)雜的材料，實(shí)際上不可能從第一原理來預(yù)測(cè)氧化態(tài)。事實(shí)上，大多數(shù)量子程序需要金屬的氧化狀態(tài)作為輸入”。
目前預(yù)測(cè)氧化態(tài)的前沿技術(shù)仍然是基于20世紀(jì)初開發(fā)的一種叫做“鍵價(jià)理論”(bond valence theory)的東西，它根據(jù)組成元素的原子之間的距離來估計(jì)一種化合物的氧化態(tài)。但是這并不總是有效，特別是在具有晶體結(jié)構(gòu)的材料中。Smit表示：“眾所周知，重要的不僅是距離，還有金屬復(fù)合物的幾何形狀。但考慮到這一點(diǎn)的嘗試還不是很成功”。
在這項(xiàng)研究中，研究人員能夠訓(xùn)練一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，按照氧化狀態(tài)對(duì)一組材料--金屬有機(jī)框架進(jìn)行分類。研究小組使用了劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)庫)，在材料的名稱中給出了氧化態(tài)。Smit說：“該數(shù)據(jù)庫非?；靵y，有許多錯(cuò)誤，而且實(shí)驗(yàn)、專家猜測(cè)和鍵價(jià)理論的不同變化被用來分配氧化態(tài)。我們假設(shè)化學(xué)是自我糾正的，因此，雖然在個(gè)人賬戶上有很多錯(cuò)誤，但作為一個(gè)整體，社區(qū)會(huì)把它弄對(duì)”。
EPFL的Smit小組的一名博士生Kevin Jablonka表示：“我們基本上做了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，它抓住了化學(xué)界的集體知識(shí)。我們的機(jī)器學(xué)習(xí)不外乎是電視游戲‘誰想成為百萬富翁’？如果一個(gè)化學(xué)家不知道氧化態(tài)，其中一條生命線就是問化學(xué)的觀眾他們認(rèn)為氧化態(tài)應(yīng)該是什么。通過上傳晶體結(jié)構(gòu)和我們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，是化學(xué)家的觀眾會(huì)告訴他們最可能的氧化狀態(tài)是什么”。
(原標(biāo)題：科學(xué)家使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來破解晶體結(jié)構(gòu)的氧化態(tài)難題)
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