Исследователи из Уорикского университета и Бирмингемского университета обнаружили ранее неизвестные материалы, внимательно изучив промежуточные стадии, которые возникают при разложении и трансформации молекулярных прекурсоров в процессе нагрева. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Учёные сосредоточились на промежуточных фазах, которые появляются, пока молекулы превращаются в твёрдые материалы. Эти временные состояния обычно игнорируются, поскольку исследователи концентрируются на конечном продукте. Зафиксировав и изучив их, специалисты нашли возможный путь к материалам, которые трудно или невозможно получить традиционным синтезом.

Доктор Себастьян Пайк из химического факультета Уорикского университета отметил: «Когда материалы получают нагреванием, учёные обычно фокусируются на конечном продукте — "B", который получается из "A". Но это исследование показывает, что между "A" и "B" существует множество интересных стадий, и эти скрытые шаги могут быть не менее важны. Мы не знали точно, что найдём, но были уверены, что в промежуточных фазах есть что-то интересное и неизвестное. Мы были в восторге, обнаружив, что некоторые из них могут иметь практическое применение, причём уже с первых экспериментов».

Исследователи начали со специально разработанных «одноисточниковых прекурсоров» — молекул, содержащих все элементы, необходимые для создания материала. Затем они отслеживали, как эти молекулы меняются при повышении температуры.

Такой подход выявил несколько ранее неизвестных материальных фаз. Одной из них стала новая кинетически стабилизированная форма ванадата висмута (BiVO4), которую исследователи назвали β-BiVO4.

BiVO4 привлекает внимание в исследованиях чистой энергетики благодаря полезной «запрещённой зоне» — энергии, необходимой для поглощения солнечного света и запуска химических реакций. Его свойства позволяют эффективно поглощать солнечный свет и при этом обеспечивать достаточно энергии для расщепления воды и получения чистого водородного топлива.

Обнаруженный β-BiVO4 имеет атомную структуру, отличную от известных форм материала. У него также значительно более широкая запрещённая зона, что меняет характер взаимодействия со светом. Эти различия могут дать исследователям новые способы настройки материалов для производства солнечного топлива, катализа и электроники.

Новые промежуточные фазы могут найти применение и за пределами солнечной энергетики. Ещё один скрытый материал, выявленный в ходе экспериментов, оказался способен запасать большие объёмы лития, что открывает возможность его использования в аккумуляторах следующего поколения.

Доктор Доминик Кубицки из химической школы Бирмингемского университета сказал: «Впечатляет то, что эти "промежуточные" материалы — не просто ступени на пути к чему-то большему, они могут обладать полезными свойствами сами по себе. Понимая и контролируя то, как они формируются, мы можем начать проектировать лучшие материалы для аккумуляторов, катализа и солнечной энергетики».

Чтобы наблюдать эти обычно скрытые состояния, исследователи объединили несколько передовых методик, включая твердотельную ЯМР-спектроскопию, рентгеновскую дифракцию и анализ функции парного распределения.

Результаты также показали, что прекурсор, выбранный в начале процесса, и способ его разложения могут сильно влиять на то, какие материалы образуются. Контролируя эти факторы, исследователи могут получать структуры, которые трудно получить стандартными методами нагрева.

Доктор Пайк заключил: «Мы изучили лишь несколько прекурсоров, но эта работа указывает на более широкую возможность в материаловедении. Тщательно контролируя температуру, химию прекурсоров и реакционные пути, можно найти гораздо больше "скрытых", но чрезвычайно полезных материалов».

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены Уорикским университетом.

Alexandria E. Hands, Thomas J. Barnes, Andrea Scarperi, Benjamin M. Gallant, Emanuele Vismara, Julia Wiktor, Stephen E. Brown, David Walker, Ashok S. Menon, Javier Castells-Gil, Dominik J. Kubicki, Sebastian D. Pike. Amorphous intermediates and discovery of a kinetic polymorph of BiVO4 from heating V Bi Zn single-source precursors. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-71702-7