地空学院鲁安怀/李艳课题组与合作者揭示元素电负性与矿物功函数调控自然界中两相界面电子转移的定量规律

　　

2023年3月31日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了北京大学地球与空间科学学院鲁安怀教授/李艳副教授课题组和北京航空航天大学宇航学院白相志教授课题组合作完成的题为“Electron transfer rules of minerals under pressure informed by machine learning”的研究成果。

元素电负性是原子在化合物中吸引电子能力的标度，矿物功函数是从固体矿物中释放出电子所需要的最小能量。元素电负性和矿物功函数是评价矿物价电子传递行为的重要指标，受到外界条件特别是压力的显著影响。遗憾的是，现有实验技术几乎无法实现极端条件下元素电负性与矿物功函数的测量。基于密度泛函理论的高通量计算在应对具有复杂成分的天然矿物方面，因计算量随电子数呈指数级增加而变得极其耗时（维数灾难）。当前，对于复杂地球系统中调控矿物界面电子转移行为的内在机制，仍未实现定量揭示与预测。

李艳、白相志和鲁安怀合作研究团队应用大数据和深度学习方法，利用元素周期表中从H到Cm共96种元素在50、100、200和500GPa的电负性值，构造密集连接注意力深度网络，获得了元素电负性与电子构型、压力之间的映射关系，实现了在0~500GPa压力区间的任意压力下对元素电负性的定量预测（预测值与真值的相关系数R²=0.987、平均绝对误差MAE=0.283eV）。在此基础上，他们利用符号回归算法，建立了描述元素电负性与电子构型（原子序数、主量子数、价电子）及外部压力定量关系的函数解析式，揭示了不同压力下元素电负性的周期律变化特征（图1）。

图1. 深度学习预测0~500 GPa任意压力下96种元素电负性，基于符号回归算法建立其随压力与电子构型变化的函数解析式

课题组基于元素电负性与矿物功函数的定量关系，进一步提出矿物受压力调制的相对功函数概念，即矿物所有组成原子在一定压力下电负性的算术平均值，以有效评价复杂地球系统中矿物相界面价电子的转移活性。计算获得了自然界中全部已知矿物在0~500GPa任意压力下的相对功函数值（图2a）。在压力作用下所有元素的价电子离域性增强并呈现出元素特异性，导致不同成分矿物相之间的界面功函数差随压力而发生变化，解释了从地壳到地核矿物电导率普遍增加和深部地质体不连续面的高电导率异常现象（图2b）。此外，金属元素价电子比非金属元素价电子具有更强的离域性和更弱的结合能，导致金属与非金属矿物之间的界面功函数差将随压力增加而增大以驱动电子转移。研究定量预测了一系列含Fe(II)矿物与水之间在不同压力下发生界面电子转移活性的顺序（图2c），发现含Fe(II)矿物与无机碳（如碳酸盐矿物或二氧化碳）之间发生压力诱导价电子转移而形成还原性碳氢物质的规律，从而揭示出板块冷俯冲过程中矿物主导的产氢产甲烷等碳氢化合物的内在机制，实现了对两相界面矿物价电子转移所驱动的地球物质转化过程的理论预测。

图2. 基于矿物受压力调制的相对功函数，揭示矿物化学组成及其电子构型特征调控界面价电子转移的定量规律。（a）矿物功函数值随化学组成与压力变化；（b）利用矿物功函数解释地球深部地质体电导率随深度增加而增大以及不连续面高电导率异常现象；（c）利用矿物功函数预测不同压力下含Fe(II)矿物与H₂O之间的电子转移活性顺序

电子传递是自然界中最基本的过程，在能量传导、元素循环与生命活动中发挥着重要的作用。该研究通过深度学习和符号回归方法，把地球系统中与矿物价电子转移密切相关的难以探测及解析的复杂变量，表达为可预测、可解释的函数关系式，揭示出自然界两相界面上由矿物功函数差所决定的矿物价电子转移活性的定量规律，深化了由矿物价电子转移所驱动的地球物质循环的理论认识，实现了从地表到深部随压力增加发生矿物价电子转移反应的理论预测。此外，所获得的不同压力下元素电负性值，对于理解元素及其化合物的基本物理化学性质，如极化率和电离能等也具有重要价值。

北京大学地球与空间科学学院博雅博士后黎晏彰、北京航空航天大学宇航学院硕士研究生汪虹宇和李艳为论文共同第一作者，李艳、白相志和鲁安怀为论文共同通讯作者。该成果获得国家自然科学基金项目（91951114、41872042、92251301、62271016、41522201）和深时数字地球（DDE）大科学计划的资助。