Tæller perovskitter

Marina Filip, Postdoktoral forskningsassistent, og Feliciano Giustino, Professor i materialer, både i Institut for Materialer, forklare, hvordan elementær geometri og moderne dataanalyse kan kombineres for at forudsige eksistensen af ​​tusindvis af nye materialer kaldet 'perovskitter', som vist i deres seneste publikation i PNAS .

Perovskitter er en bred familie af krystaller, der deler det samme strukturelle arrangement som mineralet CaTiO3. Perovskites ekstraordinære appel er deres usædvanlige kemiske alsidighed, da de generelt kan inkorporere næsten alle elementer i det periodiske system. Dette fører til en utrolig mangfoldig vifte af funktioner. For eksempel, to store videnskabelige opdagelser af vor tid fremtræder fremtrædende perovskitter, høj temperatur superledningsevne i perovskite cuprates (Bednorz og Müller, Nobelprisen 1987) og den nylige opdagelse af perovskit -solcellerne (Snaith, University of Oxford 2012).

I vores egen undersøgelse ønskede vi at forstå, hvad der får visse kombinationer af elementer i det periodiske system til at arrangere som perovskitkrystaller og andre ikke, og om vi kunne forudse, hvor mange og hvilke perovskitter der endnu ikke er opdaget.

Det viste sig, at den norske mineralog Victor Goldschmidt stillede præcis det samme spørgsmål i 1926. Baseret på empiriske observationer, han foreslog, at perovskites formbarhed følger et enkelt geometrisk princip, nemlig:Antallet af anioner, der omgiver en kation, har en tendens til at være så stort som muligt, under forudsætning af at alle anioner rører kationen. Denne erklæring er kendt som 'no-rattling' hypotesen, og betyder i det væsentlige, at hvis vi beskriver en krystal ved hjælp af en model af stive kugler, i en perovskite har sfærerne en tendens til at være tæt pakket, så ingen kan bevæge sig frit. Ved hjælp af elementær geometri kan Goldschmidts hypotese oversættes til et sæt af seks enkle matematiske regler, der skal overholdes af en perovskites ioner.

Goldschmidts hypotese var blevet brugt i en eller anden form i utallige undersøgelser i løbet af det sidste århundrede, for at forklare dannelsen af ​​perovskitter kvalitativt, men dens forudsigelseskraft var aldrig blevet vurderet kvantitativt. Vi indså, at i modsætning til 1926, i 2018 drager vi fordel af et århundredes forskning inden for krystallografi, dokumenteret i offentligt tilgængelige databaser over krystalstrukturer, såsom den uorganiske krystalstrukturdatabase, og mere end 50, 000 publicerede videnskabelige artikler om perovskitforbindelser. Ved hjælp af internet-data-mining og statistisk analyse, vi var i stand til at indsamle og studere et bibliotek med mere end 2000 kemiske forbindelser, som vides at danne i forskellige krystalstrukturer, og brug dem til at teste forudsigelseskraften i Goldschmidts hypotese. Vi fandt ud af, at denne meget elegante geometriske model faktisk er i stand til at skelne mellem forbindelser, der er perovskitter, og dem, der ikke har en højere succesrate end sofistikerede kvantemekaniske fremgangsmåder.

I vores undersøgelse brugte vi denne simple model til at screene næsten fire millioner kompositioner, og forudsige eksistensen af ​​mere end 90, 000 nye perovskitmaterialer, der endnu ikke er syntetiseret. Dette bibliotek med forudsagte forbindelser tilbyder den spændende udfordring at afdække disse nye perovskites funktionaliteter for samfundet, der arbejder med syntese og karakterisering af nye materialer. Mest vigtigt, vores opdagelse kan føre til realisering af helt nye funktionelle materialer til en bred vifte af teknologier, fra applikationer inden for energi, elektronik og medicin.