Gli elementi chimici costituiscono praticamente tutto nel mondo fisico. A partire dal 2016, conosciamo 118 elementi, tutto ciò può essere trovato classificato nella famosa tavola periodica che è appesa in ogni laboratorio di chimica e in ogni classe.

Ogni elemento della tavola periodica appare come uno, abbreviazione di due lettere (es. O per ossigeno, Al per alluminio) insieme al suo numero atomico, che mostra quanti protoni ci sono nel nucleo dell'elemento. Il numero di protoni è enormemente importante, poiché determina anche quanti elettroni orbitano attorno al nucleo, che essenzialmente rende l'elemento quello che è e gli conferisce le sue proprietà chimiche. In breve, il numero atomico è la carta d'identità di un elemento.

La tavola periodica dovrebbe includere gli stati di ossidazione

Pubblicazione in Chimica della natura , gli ingegneri chimici della School of Basic Sciences dell'EPFL studiano un altro numero che deve essere riportato per ogni elemento nella tavola periodica:lo stato di ossidazione dell'elemento, noto anche come numero di ossidazione. In poche parole, lo stato di ossidazione descrive quanti elettroni un atomo deve guadagnare o perdere per formare un legame chimico con un altro atomo.

"In chimica, lo stato di ossidazione è sempre riportato nel nome chimico di un composto, " afferma il professor Berend Smit che ha guidato la ricerca. "Gli stati di ossidazione svolgono un ruolo così importante nei fondamenti della chimica che alcuni hanno sostenuto che dovrebbero essere rappresentati come la terza dimensione della tavola periodica". Un buon esempio è il cromo:nell'ossidazione stato III è essenziale per il corpo umano; nello stato di ossidazione VI, è estremamente tossico.

I materiali complessi complicano le cose

Ma sebbene la determinazione dello stato di ossidazione di un singolo elemento sia piuttosto semplice, quando si tratta di composti composti da più elementi, le cose si complicano. "Per materiali complessi, è in pratica impossibile prevedere lo stato di ossidazione dai primi principi, " dice Smit. "In effetti, la maggior parte dei programmi quantistici richiede lo stato di ossidazione del metallo come input."

L'attuale stato dell'arte nella previsione degli stati di ossidazione si basa ancora su una cosa chiamata "teoria della valenza del legame" sviluppata all'inizio del XX secolo, che stima lo stato di ossidazione di un composto in base alle distanze tra gli atomi dei suoi elementi costitutivi. Ma questo non funziona sempre, soprattutto in materiali con strutture cristalline. "È risaputo che non è solo la distanza che conta ma anche la geometria di un complesso metallico, " dice Smit. "Ma i tentativi di tenerne conto non hanno avuto molto successo".

Una soluzione di apprendimento automatico

Fino ad ora, questo è. Nello studio, i ricercatori sono stati in grado di addestrare un algoritmo di apprendimento automatico per classificare un famoso gruppo di materiali, le strutture metallo-organiche, per stato di ossidazione.

Il team ha utilizzato il database strutturale di Cambridge, un deposito di strutture cristalline in cui lo stato di ossidazione è dato nel nome dei materiali. "Il database è molto disordinato, con molti errori e un misto di esperimenti, ipotesi di esperti, e diverse varianti della teoria della valenza del legame vengono utilizzate per assegnare gli stati di ossidazione, " dice Smit. " Partiamo dal presupposto che la chimica si autocorregge, " aggiunge. "Quindi, mentre ci sono molti errori sui singoli account, la comunità nel suo insieme lo farà bene."

"Fondamentalmente abbiamo realizzato un modello di apprendimento automatico che ha catturato la conoscenza collettiva della comunità chimica, "dice Kevin Jablonka, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Smit all'EPFL. "Il nostro machine learning non è altro che il gioco televisivo "Who Wants To Be A Millionaire?" Se un chimico non conosce lo stato di ossidazione, una delle linee di vita è chiedere al pubblico di chimica quale pensano che dovrebbe essere lo stato di ossidazione. Caricando una struttura cristallina e il nostro modello appreso dalla macchina è il pubblico di chimici che dirà loro qual è lo stato di ossidazione più probabile".