Marina Filip, Asistente de Investigación Postdoctoral, y Feliciano Giustino, Profesor de Materiales, tanto en el Departamento de Materiales, explicar cómo la geometría elemental y el análisis de datos moderno se pueden combinar para predecir la existencia de miles de nuevos materiales llamados 'perovskitas', como se muestra en su reciente publicación en PNAS .

Las perovskitas son una amplia familia de cristales que comparten la misma disposición estructural que el mineral CaTiO3. El extraordinario atractivo de las perovskitas es su inusual versatilidad química, ya que generalmente pueden incorporar casi todos los elementos de la tabla periódica. Esto conduce a una variedad increíblemente diversa de funcionalidades. Por ejemplo, dos importantes descubrimientos científicos de nuestro tiempo presentan de manera prominente perovskitas, superconductividad de alta temperatura en cupratos de perovskita (Bednorz y Müller, Premio Nobel de 1987) y el reciente descubrimiento de las células solares de perovskita (Snaith, Universidad de Oxford 2012).

En nuestro propio estudio, queríamos comprender qué hace que ciertas combinaciones de elementos de la Tabla Periódica se organicen como cristales de perovskita y otros no, y si podríamos anticipar cuántas y qué perovskitas quedan por descubrir.

Resultó que el mineralogista noruego Victor Goldschmidt hizo exactamente la misma pregunta en 1926. Según observaciones empíricas, propuso que la conformabilidad de las perovskitas sigue un principio geométrico simple, a saber:el número de aniones que rodean a un catión tiende a ser lo más grande posible, sujeto a la condición de que todos los aniones toquen el catión. Esta afirmación se conoce como la hipótesis de 'no ruido', y esencialmente significa que si describimos un cristal usando un modelo de esferas rígidas, en una perovskita, las esferas tienden a estar compactas, para que nadie pueda moverse libremente. Usando geometría elemental, la hipótesis de Goldschmidt puede traducirse en un conjunto de seis reglas matemáticas simples que deben ser obedecidas por los iones de una perovskita.

La hipótesis de Goldschmidt se había utilizado de una forma u otra en innumerables estudios durante el último siglo. para explicar la formación de perovskitas en términos cualitativos, pero su poder predictivo nunca se había evaluado cuantitativamente. Nos dimos cuenta de que, a diferencia de 1926, en 2018 nos beneficiamos de un siglo de investigación en cristalografía, documentado en bases de datos de estructuras cristalinas disponibles públicamente, como la base de datos de estructuras cristalinas inorgánicas, y más de 50, 000 artículos científicos publicados sobre compuestos de perovskita. Usando minería de datos de Internet y análisis estadístico, pudimos recopilar y estudiar una biblioteca de más de 2000 compuestos químicos que se sabe que se forman en varias estructuras cristalinas, y utilícelos para probar el poder predictivo de la hipótesis de Goldschmidt. Descubrimos que este modelo geométrico muy elegante es realmente capaz de discriminar entre compuestos que son perovskitas y aquellos que no lo son con una tasa de éxito más alta que los enfoques sofisticados de la mecánica cuántica.

En nuestro estudio, usamos este modelo simple para filtrar casi cuatro millones de composiciones, y predecir la existencia de más de 90, 000 nuevos materiales de perovskita que aún no se han sintetizado. Esta biblioteca de compuestos predichos ofrece el emocionante desafío de descubrir las funcionalidades de estas nuevas perovskitas a la comunidad que trabaja en la síntesis y caracterización de nuevos materiales. Más importante, nuestro descubrimiento puede conducir a la realización de materiales funcionales completamente nuevos para una amplia gama de tecnologías, de aplicaciones en energía, electrónica y medicina.