Marina Filip, Assistente de pesquisa de pós-doutorado, e Feliciano Giustino, Professor de Materiais, tanto no Departamento de Materiais, explicar como a geometria elementar e a análise de dados moderna podem ser combinadas para prever a existência de milhares de novos materiais chamados 'perovskitas', conforme mostrado em sua recente publicação em PNAS .

As perovskitas são uma ampla família de cristais que compartilham o mesmo arranjo estrutural do mineral CaTiO3. O apelo extraordinário das perovskitas é sua versatilidade química incomum, já que geralmente podem incorporar quase todos os elementos da Tabela Periódica. Isso leva a uma gama incrivelmente diversa de funcionalidades. Por exemplo, duas grandes descobertas científicas de nossos tempos apresentam perovskitas com destaque, supercondutividade de alta temperatura em cupratos de perovskita (Bednorz e Müller, Prêmio Nobel de 1987) e a recente descoberta das células solares perovskita (Snaith, Universidade de Oxford, 2012).

Em nosso próprio estudo, queríamos entender o que faz certas combinações de elementos na Tabela Periódica se organizarem como cristais de perovskita e outras não, e se poderíamos antecipar quantos e quais perovskitas ainda serão descobertos.

Descobriu-se que o mineralogista norueguês Victor Goldschmidt fez exatamente a mesma pergunta em 1926. Com base em observações empíricas, ele propôs que a formabilidade das perovskitas segue um princípio geométrico simples, a saber:O número de ânions em torno de um cátion tende a ser o maior possível, sujeito à condição de que todos os ânions toquem o cátion. Esta afirmação é conhecida como a hipótese de 'não chocalho', e significa, essencialmente, que se descrevermos um cristal usando um modelo de esferas rígidas, em uma perovskita as esferas tendem a ser compactadas, para que ninguém possa se mover livremente. Usando a geometria elementar, a hipótese de Goldschmidt pode ser traduzida em um conjunto de seis regras matemáticas simples que devem ser obedecidas pelos íons de uma perovskita.

A hipótese de Goldschmidt foi usada de uma forma ou de outra em inúmeros estudos ao longo do século passado, a fim de explicar a formação de perovskitas em termos qualitativos, mas seu poder preditivo nunca foi avaliado quantitativamente. Percebemos que, ao contrário de 1926, em 2018, nos beneficiamos de um século de pesquisas em cristalografia, documentado em bancos de dados publicamente disponíveis de estruturas cristalinas, como o Inorganic Crystal Structure Database, e mais de 50, 000 artigos científicos publicados sobre compostos de perovskita. Usando mineração de dados da Internet e análise estatística, fomos capazes de coletar e estudar uma biblioteca de mais de 2.000 compostos químicos que são conhecidos por se formarem em várias estruturas cristalinas, e usá-los para testar o poder preditivo da hipótese de Goldschmidt. Descobrimos que este modelo geométrico muito elegante é realmente capaz de discriminar entre compostos que são perovskitas e aqueles que não têm uma taxa de sucesso maior do que abordagens sofisticadas da mecânica quântica.

Em nosso estudo, usamos este modelo simples para filtrar cerca de quatro milhões de composições, e prever a existência de mais de 90, 000 novos materiais de perovskita que ainda não foram sintetizados. Esta biblioteca de compostos previstos oferece o desafio emocionante de descobrir as funcionalidades dessas novas perovskitas para a comunidade que trabalha na síntese e caracterização de novos materiais. Mais importante, nossa descoberta pode levar à realização de materiais funcionais inteiramente novos para uma ampla gama de tecnologias, de aplicações em energia, eletrônica e medicina.