Marina Filip, Postdoctoraal onderzoeksassistent, en Feliciano Giustino, Hoogleraar materialen, zowel bij de afdeling Materialen, uitleggen hoe elementaire geometrie en moderne data-analyse kunnen worden gecombineerd om het bestaan ​​van duizenden nieuwe materialen, 'perovskieten' genaamd, te voorspellen, zoals blijkt uit hun recente publicatie in PNAS .

Perovskieten zijn een brede familie van kristallen die dezelfde structurele rangschikking delen als het mineraal CaTiO3. De buitengewone aantrekkingskracht van perovskieten is hun ongewone chemische veelzijdigheid, omdat ze over het algemeen bijna elk element in het periodiek systeem kunnen opnemen. Dit leidt tot een ongelooflijk divers scala aan functionaliteiten. Bijvoorbeeld, twee belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen van onze tijd zijn prominent aanwezig in perovskieten, hoge temperatuur supergeleiding in perovskiet cupraten (Bednorz en Müller, Nobelprijs 1987) en de recente ontdekking van de perovskiet-zonnecellen (Snaith, Universiteit van Oxford 2012).

In onze eigen studie wilden we begrijpen waarom bepaalde combinaties van elementen in het periodiek systeem als perovskietkristallen worden gerangschikt en andere niet, en of we konden anticiperen hoeveel en welke perovskieten er nog ontdekt moeten worden.

Het bleek dat de Noorse mineraloog Victor Goldschmidt in 1926 precies dezelfde vraag stelde. Op basis van empirische waarnemingen, hij stelde voor dat de vormbaarheid van perovskieten een eenvoudig geometrisch principe volgt, namelijk:Het aantal anionen dat een kation omringt is meestal zo groot mogelijk, op voorwaarde dat alle anionen het kation raken. Deze verklaring staat bekend als de 'niet-ratelen'-hypothese, en betekent in wezen dat als we een kristal beschrijven met behulp van een model van stijve bollen, in een perovskiet zijn de bollen vaak dicht op elkaar gepakt, zodat niemand zich vrij kan bewegen. Met behulp van elementaire meetkunde kan de hypothese van Goldschmidt worden vertaald in een reeks van zes eenvoudige wiskundige regels waaraan de ionen van een perovskiet moeten voldoen.

De hypothese van Goldschmidt is de afgelopen eeuw in een of andere vorm in talloze onderzoeken gebruikt, om de vorming van perovskieten in kwalitatieve termen te verklaren, maar de voorspellende kracht ervan was nooit kwantitatief beoordeeld. We realiseerden ons dat, in tegenstelling tot 1926, in 2018 profiteren we van een eeuw onderzoek in kristallografie, gedocumenteerd in openbaar beschikbare databases van kristalstructuren, zoals de anorganische kristalstructuurdatabase, en meer dan 50, 000 gepubliceerde wetenschappelijke artikelen over perovskietverbindingen. Met behulp van internetdatamining en statistische analyse, we waren in staat om een ​​bibliotheek van meer dan 2000 chemische verbindingen te verzamelen en te bestuderen waarvan bekend is dat ze zich in verschillende kristalstructuren vormen, en gebruik ze om de voorspellende kracht van de hypothese van Goldschmidt te testen. We ontdekten dat dit zeer elegante geometrische model in staat is onderscheid te maken tussen verbindingen die perovskieten zijn en verbindingen die geen hoger succespercentage hebben dan geavanceerde kwantummechanische benaderingen.

In onze studie gebruikten we dit eenvoudige model om bijna vier miljoen composities te screenen, en voorspellen het bestaan ​​van meer dan 90, 000 nieuwe perovskietmaterialen die nog niet zijn gesynthetiseerd. Deze bibliotheek van voorspelde verbindingen biedt de opwindende uitdaging om de functionaliteiten van deze nieuwe perovskieten te ontdekken voor de gemeenschap die werkt aan de synthese en karakterisering van nieuwe materialen. Het belangrijkste is, onze ontdekking kan leiden tot de realisatie van geheel nieuwe functionele materialen voor een breed scala aan technologieën, van toepassingen in energie, elektronica en medicijnen.