El niobio, un metal versátil y abundante en Brasil, poco a poco está dejando de utilizarse solamente en aleaciones metálicas comunes o especiales. Ahora, este material está incursionando en nuevos territorios tecnológicos, en aplicaciones que van desde las baterías de los vehículos eléctricos hasta las pomadas para tratar el acné, pasando por fungicidas y catalizadores. En noviembre del año pasado, Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), una empresa privada nacional, líder mundial en la fabricación y venta de productos industrializados de este metal, inauguró una nueva planta de producción en Araxá, en el interior del estado de Minas Gerais, en colaboración con la firma británica Echion Technologies para producir los ánodos de las baterías de iones de litio a base de niobio. En julio de 2024 lanzaron un nuevo producto que contiene niobio, también producido en Minas Gerais, que ya se encuentra a la venta en los anaqueles de las farmacias. Se trata de un ungüento para combatir el acné que contiene un ingrediente elaborado a partir de una nanotecnología patentada por Nanonib, una spin-off de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG).
Las nuevas aplicaciones van más allá de los usos consolidados desde hace décadas para este material. Brasil sobresale como el mayor productor y propietario de reservas de niobio, concentrando alrededor del 90 % de la producción mundial. El mayor yacimiento explotable de pirocloro ‒un mineral que contiene hasta un 71 % de óxido de niobio‒ se encuentra en Araxá y es explotado por CBMM, propiedad de la familia Moreira Salles (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 277).
Desde la década de 1970, el niobio se utiliza en la fabricación de aceros especiales empleados en oleoductos y gasoductos, ya que dota de una mayor seguridad a las zonas de soldadura, y en la industria automovilística. En las empresas del sector de la construcción civil, se utiliza como materia prima en estructuras de puentes y grandes edificios.
“Entre un 80 % y un 90 % de los productos que comercializamos se elabora a base de ferroniobio, una aleación metálica compuesta por niobio y hierro”, dice el ingeniero de materiales Rafael Mesquita, director de Tecnología de CBMM. “La ventaja principal del niobio reside en que aumenta la resistencia mecánica de los aceros, ofreciendo como resultado un producto más fuerte y seguro. En consecuencia, es posible reducir la cantidad de acero en el producto final, disminuyendo así las emisiones de CO2 [dióxido de carbono]”.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPEl niobio en sus diversas presentaciones: en el centro, una aleación metálica de ferroniobio, que aumenta la resistencia mecánica de los acerosLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
Otro uso muy extendido transcurre en la producción de superaleaciones, cuya base en este caso no es el hierro, sino otros metales, especialmente el níquel. Este material, que resiste temperaturas extremadamente altas, suele utilizarse en la industria aeroespacial, para la fabricación de turbinas de aviones. También se emplea para fabricar turbinas generadoras de energía.
Las aleaciones superconductoras fabricadas con niobio están presentes en los magnetos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern) y en los aparatos de resonancia magnética. “El hilo que genera el campo magnético en estos equipos está fabricado a base de una aleación de niobio-titanio”, informa Mesquita, quien recibió apoyo de la FAPESP durante su maestría, centrada en las aleaciones de aluminio y desarrollada en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). “Las aplicaciones del niobio por sí solo son limitadas y de escasa relevancia. Pero el panorama cambia cuando se lo combina y se lo añade a otros materiales”.
El Vibranium de la vida real
Uno de los grupos brasileños de investigación en el área es coordinado por el químico Luiz Carlos Alves de Oliveira, del Departamento de Química de la UFMG, quien desde 2006 estudia las propiedades y aplicaciones del niobio. El investigador estima que este conocimiento ha generado hasta ahora una decena de patentes y alrededor de 70 artículos científicos. “Solemos decir que el niobio es el vibranium de la vida real”, comenta Alves de Oliveira en tono broma, en una alusión al material ficticio con poderes especiales que aparece en las películas del universo Marvel, como Pantera Negra.
La estructura química del niobio, según explica el químico, es la responsable de su versatilidad y la multiplicidad de aplicaciones. “Su unidad fundamental se asemeja a un tetraedro [figura geométrica con cuatro caras triangulares] y la forma en que estas unidades mínimas se unen y cómo se ordenan los átomos vecinos es lo que lo hace tan especial”, destaca Alves de Oliveira.
El investigador y su equipo, especializados en la química de la superficie de los materiales, notaron que era posible modular la propiedad oxidante de la superficie del óxido de niobio, un compuesto químico derivado del niobio que contiene oxígeno y tiene diversas aplicaciones (véase la infografía abajo). “Según cómo obteníamos su forma química, el oxígeno se volvía muy reactivo, capaz de desprenderse de la superficie. Y es este oxígeno, por ejemplo, el que es capaz de matar bacterias”.
Alves de Oliveira comenta que realizó pruebas con otros elementos químicos similares, pero solamente el niobio exhibió esta propiedad. “Hemos llevado a cabo innumerables ensayos a lo largo de los años. Hay elementos que retienen este oxígeno reactivo especial, pero el material pierde actividad muy rápidamente. Funciona para la investigación básica, pero no es viable para convertirse en un producto”.
En la estela la pandemia de covid-19, el grupo creó un espray líquido a base de niobio para combatir el virus Sars-CoV-2, al que denominaron Innib-41, que se rocía en las manos. “El líquido forma una película o una nanopelícula como si fuera un guante invisible. Cuando se topa con un virus o una bacteria, el oxígeno se desprende del niobio y reacciona con la pared celular del microorganismo, provocando su asfixia”, explica.
El descubrimiento de que una molécula con niobio mataba a las bacterias se produjo cuando los investigadores estaban desarrollando un blanqueador dental. Según un artículo publicado en por el equipo de la UFMG en la revista Clinical Oral Investigations en 2023, la modificación de la estructura del óxido de niobio a partir de su combinación con peróxido de hidrógeno, además de blanquear los dientes, mataba a las bacterias que causan la caries dental. El grupo acabó creando una startup ‒Nanonib‒ para desarrollar patentes y licenciar productos.
Aunque el espray ha sido aprobado por Anvisa, no se está fabricando por decisión del grupo, que en primera instancia prefirió enfocarse en otros productos. El primer producto a la venta con esta misma tecnología ‒que contiene un principio activo denominado Blue Active‒ fue lanzado en julio de 2024. Se trata de la pomada antiacné Acnano. “Hemos suscrito un convenio con Yeva, una empresa fabricante de cosméticos de Minas Gerais, que se encarga de la producción y la comercialización de los productos de esta línea”.
La startup está realizando pruebas de campo para una tercera gama de productos destinada a la agroindustria. “Hemos presentado las solicitudes de registro de dos moléculas ante los organismos competentes. También se encuentra en estudio una tercera”, informa Alves de Oliveira. Se trata de dos fungicidas, uno para utilizarlo en semillas y otro en hojas que ya se están probando. Los tres productos destinados al sector agropecuario utilizan el mismo principio del espray antivirus Innib-41: forma una película de niobio sobre la superficie de las hojas o las semillas.
Fotocatalizadores
En el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), el químico André Esteves Nogueira, del Departamento de Química, investiga aplicaciones del niobio en dos vertientes. Una de ellas está vinculada con los fotocatalizadores, centrada en la conversión del CO2 en productos de mayor valor agregado, tales como etanol, metanol, ácido acético y metano: los fotocatalizadores son materiales que al ser activados por la luz aceleran las reacciones químicas.
La segunda ruta que se está investigando, con el apoyo de la FAPESP, tiene como objetivo la producción de hidrógeno para la generación de energía. “Estamos realizando pruebas con niobio como catalizador en el proceso de hidrólisis del borohidruro de sodio”, dice Esteves Nogueira. Según el químico, al ser sólido ‒se trata de una sal blanca que se comercializa en forma de polvo‒, el borohidruro de sodio puede ofrecer ventajas en la producción de hidrógeno, lo que facilitaría su transporte y permitiría producirlo en el lugar de empleo.
“La idea es comprar hidruro de boro, que posee una gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno, llevarlo al lugar donde se va a generar energía, disolverlo y añadirle el catalizador. Todo ello sin necesidad de una fuente de energía externa, como ocurre en el proceso convencional de producción del hidrógeno verde, a partir de la hidrólisis del agua”, dice el investigador del ITA.
YEVA LaboratoiresLínea de cosméticos con nanotecnología a base de niobio creada en los laboratorios de la UFMGYEVA Laboratoires
Con la mira puesta en acelerar esta reacción, para poder utilizarla a escala industrial, el investigador y sus alumnos estudian variantes de catalizadores de niobio modificado con cobalto. “Un artículo publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy describe las modificaciones que hicimos con nanopartículas de cobalto en la superficie del óxido de niobio”. Los resultados, informa Esteves Nogueira, fueron alentadores. “Ahora estamos intentando mejorar la actividad del catalizador utilizando distintas fuentes de cobalto”.
El niobio también cumple un papel importante en la fabricación de componentes para implantes ortopédicos. Añadido al titanio, este elemento, además de ser biocompatible, permite obtener materiales con alta resistencia mecánica y propiedades elásticas que minimizan los efectos nocivos que algunos tipos de implantes provocan en el cuerpo humano.
El ingeniero mecánico Rubens Caram, de la Universidad de Campinas (Unicamp), coordina un proyecto de investigación financiado por la FAPESP cuya meta consiste en aplicar técnicas de manufactura aditiva ‒también conocida como impresión 3D‒ en la producción de componentes a base de titanio y niobio con características optimizadas.
En los últimos años, el grupo de Caram ha publicado decenas de artículos científicos relacionados con el efecto del niobio en las aleaciones de titanio, siempre con el apoyo de CBMM. Uno de ellos, escrito en colaboración con la Universidad del Norte de Texas (EE. UU.), aborda el diseño de placas de fijación para la reparación ósea con gradientes de propiedades y comportamiento mecánico optimizado utilizando aleaciones de titanio que contienen niobio.
En Araxá, CBMM lleva años desarrollando un programa tendiente a promover nuevos usos del niobio. Cada año, la compañía viene invirtiendo 250 millones de reales en investigación y desarrollo (I&D) de tecnología, el 90 % de esta suma en el modelo de innovación abierta, junto a otras empresas, universidades y centros de investigación. “Contamos con una capacidad productiva muy superior a la demanda total del mercado del niobio. El factor limitante de nuestro negocio lo constituyen las aplicaciones”, declara Mesquita.
Gran parte del monto invertido en I&D durante los últimos años se destina al estudio de baterías. La nueva unidad para la producción de ánodos a base de niobio ‒la tecnología denominada XNO, propiedad de Echion‒ cuenta con capacidad para producir 2.000 toneladas anuales de este material, el equivalente a 1 gigavatio de baterías de iones de litio. La tecnología XNO, según la compañía de Minas Gerais, aumenta la eficiencia y durabilidad de las baterías, permitiendo una carga ultrarrápida y segura.
En las instalaciones de CBMM, circula desde junio del año pasado un ómnibus eléctrico de demostración que funciona con baterías de iones de litio con niobio desarrolladas en forma conjunta con Toshiba. En lugar de las convencionales ocho horas o más de recarga, el proceso tarda ocho minutos.
La empresa forma parte de un proyecto coordinado por el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT), con sede en São Paulo, cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas aleaciones de materiales, entre ellos el niobio, para la producción de componentes metálicos vía manufactura aditiva. La iniciativa, financiada por la FAPESP, cuenta con la participación de otras instituciones del estado.
“La idea es partir de un polvo metálico que contiene niobio y llegar a una pieza final, vía manufactura aditiva, en lugar del proceso de fabricación convencional”, explica el director de CBMM. “Tomemos el caso de una pieza automotriz: para fabricarla se necesita producir el acero, fabricar una barra de acero, darle forma a la pieza, practicarle perforaciones, etc. Se trata de un largo proceso. Mediante la manufactura aditiva, podemos partir del polvo y llegar rápidamente a la pieza final”.
Este artículo salió publicado con el título “Nuevas fronteras para el niobio” en la edición impresa n° 348 de febrero de 2025.
Proyectos
1. Desarrollo de la cadena de producción de componentes metálicos mediante manufactura aditiva (no 20/06984-6); Modalidad Núcleos de Investigaciones Orientadas a Problemas de São Paulo; Investigador responsable Mário Boccalini Júnior (IPT); Inversión R$ 3.846.662,90.
2. Aleaciones de AI solidificadas rápidamente: microestructuras y propiedades (no 00/00218-6); Modalidad Beca de maestría; Investigador responsable Walter José Botta Filho (UFSCar); Becario Rafael Agnelli Mesquita; Inversión R$ 2.910,00.
3. Desarrollo de catalizadores multifuncionales de niobio: los avances en la conversión de CO2 y en la generación de H2 (no 23/17686-4) Modalidad Ayuda de investigación – Regular; Investigador responsable André Esteves Nogueira (ITA); Inversión R$ 267.313,49.
4. Aleaciones de titanio: transformaciones de fases y manufactura aditiva aplicadas a la obtención de materiales con gradientes funcionales (no 18/18293-8); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Rubens Caram Junior; Inversión R$ 5.576.609,50.
Artículos científicos
GRIFFITH, K. J. et al. Titanium niobium oxide: From discovery to application in fast-charging lithium-ion batteries. Chemistry of Materials. v. 33, n. 1. dic. 2020.
CANESCHI, C. S. et al. Bleaching effectiveness and cytotoxicity of new experimental formulation of niobium‑based bleaching gel. Clinical Oral Investigations. v. 27, n. 4. p. 1613-21. abr. 2023.
LIMA D. D. et al. Laser additive processing of a functionally graded internal fracture fixation plate. Materials & Design. v. 130, p. 8-15. 15 sep. 2017.
VALENTIN, M. et al. Investigating multi-material Ti-42Nb lattice structures fabricated via laser powder bed fusion using a genetic algorithm to optimize Ti-5553 reinforcement band position. Materials Science and Engineering: A. v. 925, 147833. mar. 2025.
SANTOS, F. L. et al. Hydrogen generation via NaBH4 hydrolysis over cobalt-modified niobium oxide catalysts. International Journal of Hydrogen Energy. v. 92, p.113-23. oct. 2024.
BRUZIQUESI, C. G. O. et al. Nióbio: Um elemento químico estratégico para o Brasil. Química Nova. v. 42, n. 10. oct. 2019.
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