A maioria dos materiais parece obedecer a uma 'regra de quatro' e os cientistas estão totalmente perplexos: WebCuriosos
Uma análise de uma vasta base de dados de compostos revelou um curioso padrão repetitivo na forma como a matéria se compõe.
Das mais de 80 mil estruturas eletrônicas de materiais experimentais e previstos estudadas, impressionantes 60% têm uma unidade estrutural básica baseada em um múltiplo de quatro.
O que há de tão estranho nisso é que a equipe de pesquisa que descobriu esse padrão não conseguiu descobrir por que isso acontece. Tudo o que sabemos no momento é que é real e observável. Apenas foge à explicação.
“Através de uma extensa investigação, neste trabalho destacamos e analisamos a abundância anômala de compostos inorgânicos cuja célula unitária primitiva contém um número de átomos que é múltiplo de quatro, propriedade que chamamos de regra de quatro”, escreva uma equipe liderado pela física Elena Gazzarrini, ex-funcionária do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne, na Suíça, agora no CERN.
“O estudo fornece um ponto de partida para futuras investigações sobre o surgimento da regra, visto que ainda falta uma explicação totalmente satisfatória para tal distribuição anômala”.
Uma das questões mais básicas sobre o Universo que nos rodeia é por que algumas propriedades são mais abundantes que outras. Por que existe mais matéria do que antimatéria? Por que os alicerces da vida são canhotos? E por que os materiais se comportam dessa maneira?
Este último é de grande interesse na ciência dos materiais, que busca compreender as propriedades e o comportamento de diferentes combinações de átomos para ajudar a desenvolvê-los e refiná-los. Mas é uma questão difícil de abordar, uma vez que existe uma grande variedade na forma como as partículas podem se unir.
É por isso que Gazzarrini e seus colegas ficaram intrigados quando notaram um padrão que parecia emergir em dois bancos de dados de materiais, o Materials Project (Deputado) banco de dados e o banco de dados de 'fonte' de estruturas cristalinas tridimensionais da Materials Cloud (Fonte MC3D). A maioria compostos inorgânicos em ambos os bancos de dados têm células unitárias – isto é, a menor unidade possível que se repete dentro de uma estrutura cristalina – com base em múltiplos de quatro.
Isto foi preocupante, porque teoricamente todos os tipos de estrutura deveriam ser igualmente representados nestas bases de dados. O surgimento de um padrão tão dominante pode significar que há uma falha nos dados em algum lugar, um erro que não foi percebido.
“Uma primeira razão intuitiva poderia vir do fato de que quando uma célula unitária convencional (uma célula maior que a primitiva, representando a simetria completa do cristal) é transformada em uma célula primitiva, o número de átomos é normalmente reduzido em quatro vezes “, Gazzarini explica. “A primeira pergunta que fizemos foi se o software usado para ‘primitivizar’ a célula unitária tinha feito isso corretamente, e a resposta foi sim”.
Depois de descartarem erros óbvios, eles tiveram que se aprofundar e procurar outros padrões que pudessem explicar a regra de quatro.
Uma possível explicação foi o silício, que pode ligar quatro outros átomos ao seu átomo central. Se todos os compostos da regra dos quatro contivessem silício, isso resolveria o mistério… mas nem todos os materiais continham silício. Da mesma forma, não havia rima ou razão para o energias de formação da regra de quatro compostos.
Portanto, o próximo passo foi construir um algoritmo mais poderoso. Isso foi realizado com a ajuda da engenheira Rose Cernosky, da Universidade de Wisconsin. O algoritmo agrupou os compostos de acordo com semelhanças em suas propriedades atômicas. Mais uma vez, não havia nenhum padrão discernível.
Não importa o que a equipe tentasse, nada deu certo. O padrão é real e não parece ser um erro, mas não havia nenhuma outra propriedade que pudesse prever com precisão se um composto seguiria ou não a regra de quatro – pelo menos quando era uma pessoa quem fazia a previsão.
Quando a equipe analisou os dados um algoritmo de aprendizado de máquina que pode obter previsões de alta precisão a partir de conjuntos de dados, os resultados de saída previram se um composto obedeceria ou não à regra de quatro com até 87 por cento de precisão. Isto sugere que pode estar faltando algo na regra dos quatro compostos que poderia ajudar a explicar o que produz o padrão.
Atualmente pode ser difícil estudar padrões em materiais; mas as descobertas sugerem que, com técnicas computacionais cada vez mais poderosas, poderemos começar a fazer progressos fascinantes.
A pesquisa da equipe foi publicada em Materiais Computacionais npj.
