Marina Filippo, Assistente di ricerca post-dottorato, e Feliciano Giustino, Professore di Materiali, sia nel Dipartimento dei Materiali, spiegare come la geometria elementare e la moderna analisi dei dati possono essere combinate per prevedere l'esistenza di migliaia di nuovi materiali chiamati "perovskiti", come mostrato nella loro recente pubblicazione in PNAS .

Le perovskiti sono un'ampia famiglia di cristalli che condividono la stessa disposizione strutturale del minerale CaTiO3. Lo straordinario fascino delle perovskiti è la loro insolita versatilità chimica, poiché generalmente possono incorporare quasi tutti gli elementi della tavola periodica. Questo porta a una gamma incredibilmente diversificata di funzionalità. Per esempio, due importanti scoperte scientifiche dei nostri tempi hanno in primo piano le perovskiti, superconduttività ad alta temperatura in cuprati di perovskite (Bednorz e Müller, Premio Nobel 1987) e la recente scoperta delle celle solari a perovskite (Snaith, Università di Oxford 2012).

Nel nostro studio abbiamo voluto capire cosa fa sì che certe combinazioni di elementi nella tavola periodica si dispongano come cristalli di perovskite e altre no, e se potremmo anticipare quante e quali perovskiti devono ancora essere scoperte.

Risultò che il mineralogista norvegese Victor Goldschmidt fece esattamente la stessa domanda nel 1926. Sulla base di osservazioni empiriche, ha proposto che la formabilità delle perovskiti segua un semplice principio geometrico, vale a dire:il numero di anioni che circondano un catione tende ad essere il più grande possibile, a condizione che tutti gli anioni tocchino il catione. Questa affermazione è nota come ipotesi del "non sferragliare", e significa essenzialmente che se descriviamo un cristallo utilizzando un modello di sfere rigide, in una perovskite le sfere tendono ad essere fitte, in modo che nessuno possa muoversi liberamente. Utilizzando la geometria elementare, l'ipotesi di Goldschmidt può essere tradotta in un insieme di sei semplici regole matematiche che devono essere rispettate dagli ioni di una perovskite.

L'ipotesi di Goldschmidt era stata utilizzata in una forma o nell'altra in innumerevoli studi nel corso dell'ultimo secolo, per spiegare la formazione delle perovskiti in termini qualitativi, ma il suo potere predittivo non era mai stato valutato quantitativamente. Ci siamo resi conto che a differenza del 1926, nel 2018 beneficiamo di un secolo di ricerca in cristallografia, documentato in database pubblicamente disponibili di strutture cristalline, come il database della struttura cristallina inorganica, e più di 50, 000 articoli scientifici pubblicati sui composti di perovskite. Utilizzando Internet data mining e analisi statistica, siamo stati in grado di raccogliere e studiare una libreria di oltre 2000 composti chimici che è noto si formano in varie strutture cristalline, e usali per testare il potere predittivo dell'ipotesi di Goldschmidt. Abbiamo scoperto che questo modello geometrico molto elegante è effettivamente in grado di discriminare tra composti che sono perovskiti e quelli che non hanno un tasso di successo più elevato rispetto ai sofisticati approcci quantomeccanici.

Nel nostro studio abbiamo utilizzato questo semplice modello per esaminare quasi quattro milioni di composizioni, e prevedere l'esistenza di più di 90, 000 nuovi materiali di perovskite che non sono stati ancora sintetizzati. Questa libreria di composti previsti offre l'entusiasmante sfida di scoprire le funzionalità di queste nuove perovskiti alla comunità che lavora alla sintesi e alla caratterizzazione di nuovi materiali. Più importante, la nostra scoperta potrebbe portare alla realizzazione di materiali funzionali completamente nuovi per un'ampia gamma di tecnologie, dalle applicazioni in campo energetico, elettronica e medicina.