Marina Filip, forskarassistent, och Feliciano Giustino, professor i material, både på materialavdelningen, förklara hur elementär geometri och modern dataanalys kan kombineras för att förutsäga existensen av tusentals nya material som kallas 'perovskites', som visas i deras senaste publikation i PNAS .

Perovskiter är en bred familj av kristaller som delar samma strukturella arrangemang som mineralet CaTiO3. Perovskiternas extraordinära tilltalande är deras ovanliga kemiska mångsidighet, eftersom de i allmänhet kan införliva nästan alla element i det periodiska systemet. Detta leder till ett otroligt varierat utbud av funktioner. Till exempel, två stora vetenskapliga upptäckter i vår tid har framträdande perovskiter, högtemperatursupraledning i perovskit-kuprater (Bednorz och Müller, Nobelpriset 1987) och den senaste upptäckten av perovskitsolcellerna (Snaith, University of Oxford 2012).

I vår egen studie ville vi förstå vad som gör att vissa kombinationer av grundämnen i det periodiska systemet ordnar sig som perovskitkristaller och andra inte, och om vi kunde förutse hur många och vilka perovskiter som ännu inte har upptäckts.

Det visade sig att den norske mineralogen Victor Goldschmidt ställde exakt samma fråga 1926. Baserat på empiriska observationer, han föreslog att formbarheten av perovskiter följer en enkel geometrisk princip, nämligen:Antalet anjoner som omger en katjon tenderar att vara så stort som möjligt, under förutsättning att alla anjoner rör vid katjonen. Detta uttalande är känt som "no-rattling"-hypotesen, och betyder i huvudsak att om vi beskriver en kristall med hjälp av en modell av stela sfärer, i en perovskit tenderar sfärerna att vara tätt packade, så att ingen kan röra sig fritt. Med hjälp av elementär geometri kan Goldschmidts hypotes översättas till en uppsättning av sex enkla matematiska regler som måste följas av jonerna i en perovskit.

Goldschmidts hypotes hade använts i en eller annan form i otaliga studier under det senaste århundradet, för att förklara bildandet av perovskiter i kvalitativa termer, men dess prediktiva kraft hade aldrig bedömts kvantitativt. Vi insåg att till skillnad från 1926, 2018 drar vi nytta av ett sekel av forskning inom kristallografi, dokumenterad i allmänt tillgängliga databaser med kristallstrukturer, såsom databasen över oorganiska kristaller, och mer än 50, 000 publicerade vetenskapliga artiklar om perovskitföreningar. Genom att använda internetdatautvinning och statistisk analys, vi kunde samla in och studera ett bibliotek med mer än 2000 kemiska föreningar som är kända för att bildas i olika kristallstrukturer, och använd dem för att testa den prediktiva kraften hos Goldschmidts hypotes. Vi fann att denna mycket eleganta geometriska modell faktiskt är kapabel att skilja mellan föreningar som är perovskiter och de som inte har en högre framgång än sofistikerade kvantmekaniska metoder.

I vår studie använde vi denna enkla modell för att gå igenom nästan fyra miljoner kompositioner, och förutsäga förekomsten av mer än 90, 000 nya perovskitmaterial som inte har syntetiserats ännu. Detta bibliotek med förutspådda föreningar erbjuder den spännande utmaningen att avslöja funktionaliteterna hos dessa nya perovskiter för samhället som arbetar med syntes och karakterisering av nya material. Viktigast, vår upptäckt kan leda till förverkligandet av helt nya funktionella material för ett brett spektrum av teknologier, från tillämpningar inom energi, elektronik och medicin.