Více dat, méně pochopení: případová studie XPS

Aristoteles, Da Vinci či Liebniz bývají v různých debatách označováni za poslední muže, kteří ovládli veškeré vědění své doby. Obsáhnout všechno vědění však dnes není v moci člověka a s rozvojem společnosti přirozeně ztrácíme komplexní expertizu v jednotlivých disciplínách.

Informací je zkrátka tolik, že již není možné, aby všichni věděli vše. Stejně tak jsme se přirozeně ocitli v situaci, kdy není možné, aby všichni vědci do hloubky znali a detailně ovládali veškeré vědecké přístupy a metody v daném oboru používané. A právě z toho pramení některé chyby ve vědecké literatuře.

Rentgenová fotoelektronová spektroskopie může sloužit jako příklad

Pro ilustraci tohoto jevu se zaměříme na v materiálových vědách běžně používanou metodu: rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS, z anglického X-ray photoelectron spectroscopy). XPS je metoda, která poskytuje informace o chemickém složení vzorků včetně toho, v jakém chemickém stavu se jednotlivé atomy nacházejí. Zjednodušeně řečeno, dává nám informaci, které prvky jsou ve vzorku přítomné a jak jsou vzájemně vázané.

Metoda je založená na vnitřním fotoelektrickém jevu, kdy jsou elektrony vyzařovány (emitovány) z atomů následkem absorpce fotonů rentgenového záření. Z měřené kinetické energie emitovaných elektronů a známé energie fotonů určíme, jaká byla vazebná energie elektronů v atomech. Ta je pro každý prvek charakteristická a jemně se posouvá podle toho, jak je příslušný atom vázán ke svému okolí. V naměřeném spektru každému chemickému stavu odpovídá „pík“ s příslušnou energií. Pokud například metodou XPS zkoumáme polymerní řetězce PET, nezjistíme jenom to, že se ve vzorku nachází uhlík a kyslík, ale také to, že tam jsou tak dva druhy atomů kyslíku v poměru 1:1 a 3 druhy atomů uhlíku v poměru 1:1:3. Podle známých informací o energiích jednotlivých vazeb pak jednotlivé „píky“ přiřadíme vazbám, které se v PET nacházejí.

CEITEC/Jan Čechal: Více dat, méně pochopení: případová studie XPS: Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) na CEITEC VUT.

Většina spekter je interpretována chybně

XPS je hojně využívaná metoda, která zejména v kombinaci s jinými metodami povrchové analýzy přináší velmi cenná data o složení vzorků. XPS spektrometry jsou dnes standardní součástí vybavení všude tam, kde se zabývají materiálovým výzkumem. Po krátkém zaškolení je většina uživatelů schopná spektrometry ovládat a měřit si svá spektra. Tak v čem je problém?

V roce 2020 vyšla studie, která ukázala, že je v odborných časopisech chybně, nebo přinejmenším pochybně, interpretováno přibližně 60 % XPS spekter. Závěry této studie vycházely ze zkoumání a hodnocení XPS analýz publikovaných během 6 měsíců v roce 2019 ve třech různých časopisech. První z nich měl úzkou oborovou specifikaci (IF 25), druhý byl zaměřen na analýzu povrchů materiálů a třetí byl obecně vědecký, obsahoval ovšem velké množství publikací právě z oblasti materiálových věd. Výsledky jsou alarmující. Průměrně 60 % spekter bylo nesprávně interpretováno.

Modelování spekter neboli fitování chybovost zvýšilo

Pokud byla publikována jen měřená spektra a z nich vyvozeny závěry, situace nebyla tak tragická. To se však změnilo ve chvíli, kdy bylo použito modelování spekter (tzv. fitování). Pomocí „fitování” se snažíme získat detailnější informace v případě, že spektrální „píky” mají komplexní tvar. To je způsobeno přítomností několika chemických stavů pro každý prvek. Zde chybovost dosahovala 80 %. Zhruba 40 % byly velmi závažné chyby, které v podstatě vyvracejí závěry publikovaných XPS analýz. A to mluvíme o rozumných vědeckých časopisech. 60 % chybně interpretovaných XPS měření není zanedbatelný problém.

V reakci na tuto studii jsme s kolegy připravili publikaci zabývající se tím, jakou má věda ve světle těchto výsledků perspektivu, čím je tento stav způsoben a jak můžeme vzniklou situaci napravit.

Při hlubším zkoumání chybně interpretovaných spekter se poměrně jasně ukazuje, že většině chyb se dalo snadno vyhnout. V podstatě chyběly pouze znalosti základních principů metody XPS. Modelování spekter, jež jsou odrazem procesu fotoemise, musí sledovat jeho fyzikální principy. Mnohé interpretace spekter jsou v rozporu s kvantovou mechanikou (a někteří autoři to i sami ve svém textu uvádějí), jiné jsou pouze nekonzistentní. Nezřídka se jedná o malování křivek podobných těm, co jsou vidět v literatuře, spíše než o fundovanou interpretaci naměřených dat.

Vymýšlení vlastních chyb

Spočívá tedy problém v tom, že se chyby šíří z publikace na publikaci? Zpočátku jsme si to mysleli. Následná studie však ukázala, že je tomu jinak. V chybně interpretovaných analýzách, které citovaly jeden významný příklad, většinou nešlo o kopírování konkrétních omylů, ale o vymýšlení vlastních chyb. Šlo v podstatě jenom o to k tvrzením v článku dodat nějaké číslo z časopisu s vysokým IF, které by je potvrzovalo. Autoři tedy nekopírovali konkrétní chyby, ale citovali to, co je podobné – bez znalosti kontextu.

Je toto projevem často zmiňované krize vědy? Nikoliv. Zatím jsme v předkrizovém stadiu. O krizi bychom mluvili ve chvíli, kdy by se veškerá vědecká literatura stala bezcennou, neboť bychom nebyli schopni určit, co je pravda, a co ne. Tam ještě nejsme. Výsledky zmíněných studií ovšem naznačují, že tam směřujeme.

Vše začíná u vědců samotných. Abychom se krizi vyhnuli, je nutné vyvinout úsilí na mnoha frontách. Dříve byla XPS analýza doménou odborníků, dnes ji však používají vědci a studenti s nejrůznějšími zaměřeními, kteří jsou mnohdy vyškoleni pouze na práci se spektrometrem, nikoli ve správné interpretaci měřených dat. Je to pro ně jedna z mnoha metod, které poskládají mozaiku jejich nové publikace. Mají ale dostatek času pochopit každou z použitých metod do hloubky, když po nich chceme, aby publikovali, a hlavně publikovali rychle?

Jsem si jist, že píšu pravdivé informace?

Pozornost musíme věnovat vzdělávání: musíme vědce učit, jak s XPS daty pracovat. V tomto ohledu jsme sepsali shrnutí hlavních chyb a jak se jim vyhnout. Ale články nestačí. Loni jsem proto na CEITEC VUT začal nabízet dvoudenní kurz, ve kterém především učím fyziku a chemii, které leží v pozadí, a až následně matematické modelování, a poukazuji na nejčastější místa, kde vznikají chyby. Jelikož žijeme v rychlé době, připravil jsem také krátký text shrnující základy XPS ve 20 minutách. Protože i těch 20 minut může zabránit většině základních chyb, které se při interpretaci spekter objevují.

Bohužel toto není jen příběh XPS. Podobná situace může panovat i u jiných analytických metod a v jiných vědních disciplínách. A co s tím? Myslím, že nejzásadnější je změna způsobu uvažování. Každý (spolu)autor by si před zasláním publikace měl položit otázku, a měl by si ji položit upřímně: „Jsem si jistý, že to, co píšeme, je pravda?“

CEITEC/Jakub Rozboud: Více dat, méně pochopení: případová studie XPS: Jan Čechal, CEITEC Vysoké učení technické v Brně.