Marina Philippe, Assistant de recherche postdoctoral, et Feliciano Giustino, Professeur de matériaux, à la fois dans le département des matériaux, expliquer comment la géométrie élémentaire et l'analyse de données modernes peuvent être combinées pour prédire l'existence de milliers de nouveaux matériaux appelés « pérovskites », comme le montre leur récente publication dans PNAS .

Les pérovskites sont une large famille de cristaux qui partagent le même arrangement structurel que le minéral CaTiO3. L'attrait extraordinaire des pérovskites est leur polyvalence chimique inhabituelle, car ils peuvent généralement incorporer presque tous les éléments du tableau périodique. Cela conduit à un éventail incroyablement diversifié de fonctionnalités. Par exemple, deux découvertes scientifiques majeures de notre époque mettent en évidence les pérovskites, supraconductivité à haute température dans les cuprates de pérovskite (Bednorz et Müller, Prix ​​Nobel 1987) et la récente découverte des cellules solaires à pérovskite (Snaith, Université d'Oxford 2012).

Dans notre propre étude, nous avons voulu comprendre ce qui fait que certaines combinaisons d'éléments du tableau périodique s'organisent en cristaux de pérovskite et d'autres non, et si nous pouvions prévoir combien et quelles pérovskites sont encore à découvrir.

Il s'est avéré que le minéralogiste norvégien Victor Goldschmidt a posé exactement la même question en 1926. Sur la base d'observations empiriques, il a proposé que la formabilité des pérovskites suive un principe géométrique simple, à savoir :le nombre d'anions entourant un cation a tendance à être aussi grand que possible, à condition que tous les anions touchent le cation. Cette affirmation est connue sous le nom d'hypothèse « sans cliquetis », et signifie essentiellement que si nous décrivons un cristal en utilisant un modèle de sphères rigides, dans une pérovskite, les sphères ont tendance à être serrées, afin que personne ne puisse se déplacer librement. En utilisant la géométrie élémentaire, l'hypothèse de Goldschmidt peut être traduite en un ensemble de six règles mathématiques simples auxquelles doivent obéir les ions d'une pérovskite.

L'hypothèse de Goldschmidt avait été utilisée sous une forme ou une autre dans d'innombrables études au cours du siècle dernier, pour expliquer la formation des pérovskites en termes qualitatifs, mais son pouvoir prédictif n'avait jamais été évalué quantitativement. On s'est rendu compte que contrairement à 1926, en 2018 nous bénéficions d'un siècle de recherche en cristallographie, documenté dans des bases de données accessibles au public de structures cristallines, tels que la base de données de structure cristalline inorganique, et plus de 50, 000 articles scientifiques publiés sur les composés pérovskites. En utilisant l'exploration de données Internet et l'analyse statistique, nous avons pu collecter et étudier une bibliothèque de plus de 2000 composés chimiques connus pour se former dans diverses structures cristallines, et les utiliser pour tester le pouvoir prédictif de l'hypothèse de Goldschmidt. Nous avons constaté que ce modèle géométrique très élégant est en fait capable de discriminer entre les composés qui sont des pérovskites et ceux qui ne le sont pas avec un taux de réussite plus élevé que les approches sophistiquées de la mécanique quantique.

Dans notre étude, nous avons utilisé ce modèle simple pour filtrer près de quatre millions de compositions, et prédire l'existence de plus de 90, 000 nouveaux matériaux pérovskites qui n'ont pas encore été synthétisés. Cette bibliothèque de composés prédits offre le défi passionnant de découvrir les fonctionnalités de ces nouvelles pérovskites à la communauté travaillant sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux. Plus important encore, notre découverte peut conduire à la réalisation de matériaux fonctionnels entièrement nouveaux pour un large éventail de technologies, des applications en énergie, électronique et médecine.