Investigadores de las universidades de Warwick y Birmingham identificaron estructuras que aparecen temporalmente durante la fabricación de materiales. Una de ellas demostró capacidad para almacenar litio, mientras otra presentó propiedades electrónicas diferentes que podrían aprovecharse en tecnologías de energía solar e hidrógeno.
Un equipo internacional de científicos descubrió materiales desconocidos que se forman durante las etapas intermedias de determinadas reacciones químicas, abriendo nuevas posibilidades para desarrollar baterías de litio, catalizadores y dispositivos destinados a aprovechar la energía solar. La investigación, encabezada por especialistas de las universidades de Warwick y Birmingham, en Reino Unido, demostró que algunos compuestos que aparecen durante el calentamiento de sustancias precursoras poseen propiedades distintas de las del producto final. Los resultados fueron publicados el 30 de abril de 2026 en la revista científica Nature Communications y difundidos nuevamente este 9 de octubre.
Entre los hallazgos destaca una forma inédita de vanadato de bismuto, denominada β-BiVO₄, cuya estructura atómica modifica su comportamiento electrónico. Los investigadores también identificaron un material amorfo de óxido de vanadio capaz de incorporar cantidades importantes de litio, una característica relevante para el desarrollo de nuevos electrodos de baterías.
El descubrimiento propone aprovechar una etapa de las reacciones químicas que habitualmente recibe menos atención: los materiales transitorios que surgen antes de que se forme el compuesto definitivo.
Los materiales que aparecen y desaparecen durante el calentamiento
En numerosos procesos de fabricación industrial, los materiales se obtienen mediante el calentamiento de sustancias químicas hasta alcanzar una estructura estable.
Sin embargo, la transformación no siempre ocurre directamente desde los ingredientes iniciales hasta el producto deseado.
Durante el proceso pueden aparecer compuestos intermedios con una organización atómica diferente, que posteriormente desaparecen cuando aumenta la temperatura.
El equipo dirigido por Sebastian Pike, del Departamento de Química de la Universidad de Warwick, decidió estudiar precisamente esas transformaciones.
Para ello utilizó precursores moleculares especialmente diseñados, que contienen los elementos necesarios para producir determinados óxidos metálicos.
Los experimentos incluyeron compuestos formados por vanadio, bismuto y zinc, en distintas combinaciones.
Los investigadores observaron cómo evolucionaban sus estructuras a medida que se incrementaba la temperatura, identificando fases amorfas y cristalinas que normalmente no se conservan en el producto final.
La diferencia resulta importante porque un material puede mantener la misma composición química y presentar propiedades diferentes dependiendo de cómo estén organizados sus átomos.
El estudio demuestra que controlar las condiciones de síntesis puede permitir obtener estructuras difíciles de producir mediante procedimientos convencionales.
Un nuevo vanadato de bismuto con propiedades diferentes
Uno de los resultados más relevantes fue el descubrimiento del β-BiVO₄, una nueva forma cristalina del vanadato de bismuto.
Este compuesto es conocido por sus posibles aplicaciones en tecnologías fotoelectroquímicas, especialmente en dispositivos que utilizan la energía solar para impulsar reacciones químicas relacionadas con la producción de hidrógeno.
El vanadato de bismuto puede absorber radiación luminosa y participar en la separación del agua mediante procesos electroquímicos.
Su comportamiento depende, entre otros factores, de una propiedad denominada brecha de energía o band gap, que determina qué energía necesitan los electrones para desplazarse entre determinados estados electrónicos.
Los científicos encontraron que la nueva estructura β-BiVO₄ presenta una brecha energética considerablemente mayor que la de la forma monoclinica convencional del material.
Mediante cálculos computacionales, estimaron diferencias de entre 1,09 y 1,58 electronvoltios, dependiendo del método utilizado.
Estos valores corresponden a resultados de simulaciones electrónicas, no a mediciones directas de una mejora en la eficiencia de dispositivos solares.
La nueva estructura también presenta diferencias en la coordinación de sus átomos de bismuto y en la separación entre determinadas unidades que contienen vanadio.
Estos cambios modifican sus propiedades electrónicas y podrían utilizarse para investigar nuevas configuraciones de materiales fotoactivos.
No obstante, una brecha energética mayor no garantiza un mejor aprovechamiento de la luz solar. También puede limitar las longitudes de onda que el material es capaz de absorber.
Por ahora, el principal avance consiste en haber identificado y caracterizado una estructura que anteriormente no se había observado experimentalmente.
Un óxido de vanadio logró almacenar cantidades importantes de litio
La investigación también obtuvo resultados directamente relacionados con el almacenamiento electroquímico de energía.
Durante la descomposición térmica de uno de los precursores, los científicos identificaron una fase amorfa de óxido de vanadio con estados de oxidación mixtos.
A diferencia de un material cristalino, cuyos átomos presentan una organización periódica definida, un material amorfo carece de ese orden estructural de largo alcance.
El equipo preparó muestras mediante calentamiento a aproximadamente 200 °C y evaluó su comportamiento como material de cátodo en ensayos de baterías de iones de litio.
En una primera configuración experimental, el electrodo alcanzó una capacidad específica cercana a 150 miliamperios-hora por gramo, que posteriormente se estabilizó alrededor de 120 miliamperios-hora por gramo durante los primeros ciclos.
Al ampliar el intervalo de voltaje utilizado en las pruebas, los investigadores consiguieron aumentar la cantidad de litio incorporada al material.
En esas condiciones, la capacidad inicial alcanzó aproximadamente 300 miliamperios-hora por gramo y aumentó hasta cerca de 400 miliamperios-hora por gramo durante los siguientes 15 ciclos de carga y descarga.
En otro ensayo, realizado a una corriente mayor, la capacidad creció desde aproximadamente 60 hasta 210 miliamperios-hora por gramo durante los primeros 100 ciclos, antes de comenzar a disminuir gradualmente.
Estos resultados indican que el material experimenta transformaciones estructurales durante su funcionamiento que inicialmente favorecen la incorporación de litio.
Sin embargo, también muestran que su comportamiento evoluciona con el uso, una característica que deberá estudiarse antes de considerar aplicaciones comerciales.
Las cifras corresponden a pruebas de laboratorio sobre un material de electrodo y no representan la capacidad de una batería completa ni una mejora comprobada frente a productos comerciales.
Cómo lograron observar estructuras que normalmente pasan inadvertidas
Para identificar estas transformaciones, los investigadores combinaron diferentes técnicas de caracterización.
Una de ellas fue la resonancia magnética nuclear de estado sólido, utilizada para examinar los entornos químicos de los átomos dentro de los materiales.
También emplearon difracción de rayos X, que permite estudiar estructuras cristalinas y observar cómo evolucionan durante el calentamiento.
Una tercera herramienta fue el análisis de funciones de distribución de pares, que proporciona información sobre las distancias entre átomos incluso cuando el material no presenta una estructura cristalina bien definida.
La combinación de estas técnicas permitió reconstruir las sucesivas etapas de formación de los óxidos metálicos.
En determinados experimentos, las muestras comenzaron a formar estructuras cristalinas reconocibles alrededor de los 300 °C, mientras que algunas fases intermedias desaparecieron al continuar el calentamiento.
La nueva forma β-BiVO₄ pudo conservarse después de enfriar las muestras, aunque perdió presencia cuando el tratamiento térmico avanzó hacia temperaturas mayores.
Esto demuestra que no todas las estructuras intermedias deben desaparecer inmediatamente: algunas pueden estabilizarse mediante condiciones específicas de procesamiento.
Qué aplicaciones podrían tener estos materiales
El trabajo abre distintas posibilidades dentro de la investigación de materiales avanzados.
En baterías, los óxidos de vanadio presentan interés porque pueden participar en reacciones de almacenamiento electroquímico de litio.
La posibilidad de modificar su estructura durante la fabricación podría permitir explorar materiales con diferentes capacidades de almacenamiento, propiedades de transporte iónico o comportamientos durante los ciclos de carga.
En tecnologías solares, el descubrimiento de nuevas formas cristalinas ofrece alternativas para estudiar cómo la estructura atómica modifica la absorción de luz y las reacciones fotoelectroquímicas.
También existen posibles aplicaciones en catálisis y electrónica, donde pequeñas diferencias estructurales pueden influir en la actividad química o las propiedades eléctricas.
Dominik Kubicki, investigador de la Universidad de Birmingham y participante del estudio, destacó el interés de aprovechar estos compuestos intermedios como materiales con propiedades propias, en lugar de considerarlos únicamente etapas de transición.
El enfoque podría ayudar a diseñar nuevas rutas de síntesis para obtener sustancias que no aparecen mediante procedimientos tradicionales.
Qué falta para desarrollar baterías comerciales
Pese a los resultados obtenidos, los investigadores todavía no han demostrado que estos materiales permitan fabricar baterías comerciales más duraderas, económicas o seguras.
Las pruebas electroquímicas se realizaron en condiciones controladas y será necesario evaluar aspectos como la estabilidad durante numerosos ciclos, la eficiencia energética, la compatibilidad con otros componentes y la posibilidad de producirlos a mayor escala.
También deberán investigarse los costos y las condiciones necesarias para obtener estructuras homogéneas mediante procesos industriales.
En el caso de los materiales fotoelectroquímicos, será necesario determinar experimentalmente si sus propiedades electrónicas ofrecen ventajas concretas frente a las alternativas conocidas.
El equipo reconoce, además, que la investigación examinó un número limitado de precursores, por lo que todavía no es posible establecer cuántas otras fases desconocidas podrían encontrarse utilizando el mismo procedimiento.
El principal aporte del estudio es metodológico: demuestra que observar cuidadosamente las transformaciones químicas puede revelar materiales que permanecían ocultos entre los ingredientes iniciales y el producto final.
En lugar de buscar nuevos compuestos únicamente mediante combinaciones de elementos, los científicos proponen investigar las estructuras que aparecen durante su fabricación. Esa estrategia podría ampliar las alternativas para diseñar materiales destinados al almacenamiento de energía, la producción de combustibles solares y otros procesos industriales.
REDIMIN Responde
¿Qué descubrieron los investigadores sobre el almacenamiento de litio?
Los investigadores identificaron una fase amorfa de óxido de vanadio que puede almacenar cantidades importantes de litio. En pruebas de laboratorio, este material alcanzó una capacidad específica de hasta 400 miliamperios-hora por gramo durante los ciclos de carga y descarga.
¿Cuál es la importancia del nuevo vanadato de bismuto descubierto?
El nuevo vanadato de bismuto, denominado β-BiVO₄, presenta una brecha energética mayor que la forma convencional, lo que modifica sus propiedades electrónicas. Este compuesto tiene potencial para aplicaciones en tecnologías fotoelectroquímicas, como dispositivos que utilizan energía solar para producir hidrógeno.
¿Qué técnicas utilizaron los investigadores para observar las estructuras transitorias?
Los investigadores emplearon resonancia magnética nuclear de estado sólido, difracción de rayos X y análisis de funciones de distribución de pares. Estas técnicas permitieron estudiar las estructuras cristalinas y amorfas que se forman y desaparecen durante el calentamiento de los materiales.
¿Qué resultados obtuvieron al estudiar el comportamiento del óxido de vanadio como cátodo?
El óxido de vanadio amorfo mostró una capacidad específica inicial de 150 miliamperios-hora por gramo, estabilizándose en 120 miliamperios-hora por gramo. Al ajustar el voltaje, la capacidad inicial alcanzó 300 miliamperios-hora por gramo, aumentando a 400 miliamperios-hora por gramo en los siguientes ciclos.
¿Qué hallazgos se publicaron en Nature Communications?
Los hallazgos incluyen la identificación de estructuras transitorias durante la fabricación de materiales, como el β-BiVO₄ y un óxido de vanadio amorfo. Estos descubrimientos abren posibilidades para desarrollar nuevas baterías de litio y tecnologías de energía solar.
