Kemiska grundämnen utgör i stort sett allt i den fysiska världen. Från och med 2016, vi känner till 118 element, som alla kan hittas kategoriserade i det berömda periodiska systemet som hänger i varje kemilabb och klassrum.

Varje element i det periodiska systemet visas som en en-, tvåbokstavsförkortning (t.ex. O för syre, Al för aluminium) tillsammans med dess atomnummer, som visar hur många protoner det finns i grundämnets kärna. Antalet protoner är oerhört viktigt, eftersom det också avgör hur många elektroner som kretsar runt kärnan, vilket i huvudsak gör grundämnet till vad det är och ger det dess kemiska egenskaper. Kortfattat, atomnumret är ett elements ID-kort.

Det periodiska systemet bör inkludera oxidationstillstånd

Publicerar i Naturkemi , kemiingenjörer vid EPFL:s School of Basic Sciences undersöker ytterligare ett antal som måste rapporteras för varje grundämne i det periodiska systemet:grundämnets oxidationstillstånd, även känt som oxidationstal. Enkelt uttryckt, oxidationstillståndet beskriver hur många elektroner en atom måste få eller förlora för att bilda en kemisk bindning med en annan atom.

"Inom kemi, oxidationstillståndet rapporteras alltid i det kemiska namnet på en förening, " säger professor Berend Smit som ledde forskningen. "Oxidationstillstånd spelar en så viktig roll i kemins grunder att vissa har hävdat att de borde representeras som den tredje dimensionen av det periodiska systemet." Ett bra exempel är krom:i oxidation tillstånd III är det väsentligt för människokroppen; i oxidationstillstånd VI, det är extremt giftigt.

Komplexa material komplicerar saker

Men även om det är ganska enkelt att ta reda på oxidationstillståndet för ett enskilt element, när det gäller föreningar som består av flera element, saker blir komplicerade. "För komplexa material, det är i praktiken omöjligt att förutsäga oxidationstillståndet utifrån första principer, säger Smit. Faktum är att de flesta kvantprogram kräver metallens oxidationstillstånd som ingång. "

Den nuvarande senaste tekniken för att förutsäga oxidationstillstånd är fortfarande baserad på en något som kallas "bindningsvalensteori" som utvecklades i början av 1900-talet, som uppskattar oxidationstillståndet för en förening baserat på avstånden mellan atomerna i dess beståndsdelar. Men det här fungerar inte alltid, särskilt i material med kristallstrukturer. "Det är välkänt att det inte bara är avståndet som spelar roll utan också geometrin hos ett metallkomplex, säger Smit. Men försöken att ta hänsyn till detta har inte varit särskilt framgångsrika.

En maskininlärningslösning

Tills nu, det är. I studien, forskarna kunde träna en algoritm för maskininlärning för att kategorisera en berömd grupp av material, de metallorganiska ramarna, efter oxidationstillstånd.

Teamet använde Cambridges strukturella databas, ett förråd av kristallstrukturer där oxidationstillståndet anges i materialens namn. "Databasen är väldigt rörig, med många fel och en blandning av experiment, expert gissningar, och olika variationer av bindningsvalensteorin används för att tilldela oxidationstillstånd, " säger Smit. "Vi antar att kemi är självkorrigerande, " tillägger han. "Så även om det finns många fel på enskilda konton, samhället som helhet kommer att få det rätt."

"Vi gjorde i grunden en maskininlärningsmodell som har fångat den samlade kunskapen om kemigemenskapen, " säger Kevin Jablonka, en Ph.D. student i Smits grupp på EPFL. "Vår maskininlärning är inget annat än tv-spelet "Who Wants To Be A Millionaire?" Om en kemist inte känner till oxidationstillståndet, en av livlinorna är att fråga publiken inom kemi vad de tycker att oxidationstillståndet bör vara. Genom att ladda upp en kristallstruktur och vår maskininlärda modell är publiken av kemister som kommer att berätta för dem vad det mest troliga oxidationstillståndet är."