Chemische elementen vormen vrijwel alles in de fysieke wereld. Vanaf 2016, we kennen 118 elementen, die allemaal te vinden zijn gecategoriseerd in het beroemde periodiek systeem dat in elk scheikundelab en klaslokaal hangt.

Elk element in het periodiek systeem verschijnt als een één-, afkorting van twee letters (bijv. O voor zuurstof, Al voor aluminium) samen met het atoomnummer, die laat zien hoeveel protonen er in de kern van het element zijn. Het aantal protonen is enorm belangrijk, omdat het ook bepaalt hoeveel elektronen om de kern draaien, die het element in wezen maakt tot wat het is en het zijn chemische eigenschappen geeft. Kortom, het atoomnummer is de ID-kaart van een element.

Het periodiek systeem moet oxidatietoestanden bevatten

Publiceren in Natuurchemie , chemische ingenieurs van EPFL's School of Basic Sciences onderzoeken een ander getal dat voor elk element in het periodiek systeem moet worden gerapporteerd:de oxidatietoestand van het element, ook wel oxidatiegetal genoemd. Simpel gezegd, de oxidatietoestand beschrijft hoeveel elektronen een atoom moet winnen of verliezen om een ​​chemische binding met een ander atoom te vormen.

"In de chemie de oxidatietoestand wordt altijd vermeld in de chemische naam van een verbinding, ", zegt professor Berend Smit die het onderzoek leidde. "Oxidatietoestanden spelen zo'n belangrijke rol in de fundamenten van de chemie dat sommigen hebben beweerd dat ze moeten worden weergegeven als de derde dimensie van het periodiek systeem." Een goed voorbeeld is chroom:in oxidatie toestand III is het essentieel voor het menselijk lichaam; in oxidatietoestand VI, het is extreem giftig.

Complexe materialen maken dingen ingewikkelder

Maar hoewel het vrij eenvoudig is om de oxidatietoestand van een enkel element te bepalen, als het gaat om verbindingen die uit meerdere elementen bestaan, dingen worden ingewikkeld. "Voor complexe materialen, het is in de praktijk onmogelijk om de oxidatietoestand te voorspellen vanuit de eerste principes, " zegt Smit. "In feite, de meeste kwantumprogramma's vereisen de oxidatietoestand van het metaal als input."

De huidige stand van zaken op het gebied van het voorspellen van oxidatietoestanden is nog steeds gebaseerd op een zogenaamde "bondvalentietheorie", ontwikkeld in het begin van de 20e eeuw, die de oxidatietoestand van een verbinding schat op basis van de afstanden tussen de atomen van de samenstellende elementen. Maar dit werkt niet altijd, vooral in materialen met kristalstructuren. "Het is algemeen bekend dat het niet alleen de afstand is die ertoe doet, maar ook de geometrie van een metaalcomplex, ", zegt Smit. "Maar pogingen om hier rekening mee te houden zijn niet erg succesvol geweest."

Een machine learning-oplossing

Tot nu, dat is. In de studie, de onderzoekers waren in staat om een ​​machine learning-algoritme te trainen om een ​​beroemde groep materialen te categoriseren, de metaal-organische kaders, door oxidatietoestand.

Het team gebruikte de structurele database van Cambridge, een opslagplaats van kristalstructuren waarin de oxidatietoestand wordt gegeven in de naam van de materialen. "De database is erg rommelig, met veel fouten en een mengelmoes van experimenten, deskundige gissingen, en verschillende variaties van de bindingsvalentietheorie worden gebruikt om oxidatietoestanden toe te wijzen, " zegt Smit. "We gaan ervan uit dat chemie zelfcorrigerend is, " voegt hij eraan toe. "Dus hoewel er veel fouten zijn op individuele accounts, de gemeenschap als geheel zal het goed krijgen."

"We hebben in feite een machinaal leermodel gemaakt dat de collectieve kennis van de chemiegemeenschap heeft vastgelegd, " zegt Kevin Jablonka, een doctoraat student in de groep van Smit bij EPFL. "Onze machine learning is niets meer dan het televisiespel "Who Wants To Be A Millionaire?" Als een chemicus de oxidatietoestand niet kent, een van de reddingslijnen is om het publiek van de chemie te vragen wat zij denken dat de oxidatietoestand zou moeten zijn. Door een kristalstructuur te uploaden en ons machinaal geleerde model is het publiek van chemici dat hen zal vertellen wat de meest waarschijnlijke oxidatietoestand is."