Confinamiento de átomos y cúmulos aislados en materiales porosos cristalinos para catálisis

 

El estudio de materiales catalíticos conformados por átomos metálicos aislados o cúmulos de aleaciones metálicas, depositados sobre diversos soportes, demuestra la importancia de la relación estructura-reactividad. La estabilidad de estos cúmulos metálicos es un desafío clave, pero se logra encapsulando nanopartículas dentro de materiales porosos cristalinos como las zeolitas o enrejados órgano-metálicos (MOF por sus siglas del inglés metal-organic frameworks). Más aún, la interacción entre las nanopartículas metálicas y la estructura del soporte puede modular la estructura geométrica y electrónica de las especies metálicas subnanométricas, especialmente  de los cúmulos metálicos. Este efecto de confinamiento puede inducir una catálisis selectiva o quimioselectividad de forma, diferente a la que se logra con cúmulos metálicos soportados sobre sólidos con una estructura abierta. 

 

De acuerdo con el conocimiento actual derivado de las relaciones estructura-reactividad, el diseño de catalizadores metálicos heterogéneos soportados sobre materiales porosos requiere un control preciso de la ubicación de partículas metálicas subnanométricas. Si esto se logra, los materiales resultantes conducirán a una alta selectividad y alta estabilidad en las reacciones catalíticas deseadas. 

 

A partir de un concepto ab initio, los autores proponen un paradigma para la síntesis de catalizadores métalicos donde la estructura y el entorno de coordinación de los sitios activos se diseñan teniendo en cuenta el estado de transición de la reacción química que se desea acelerar. Para la mayoría de las reacciones catalizadas por compositos metal-zeolita o metal-MOF, especialmente aquellas que involucran moléculas orgánicas, el estado de transición puede describirse mediante un complejo de coordinación con sitios activos de un solo átomo metálico y/o de cúmulos metálicos. Simulando la conformación geométrica del estado de transición, es posible preparar un catalizador con un entorno de coordinación optimizado para la reacción deseada.

 

Los resultados se publicaron en Nature Reviews Materials

Visualización directa de puntos cuánticos que revelan la función de onda cuántica

 Un grupo internacional de investigadores visualizó puntos cuánticos (QDs, del inglés quantum dots) por primera vez, en una bicapa de grafeno apilado, usando microscopía de efecto túnel (STM, del inglés scanning tunneling microscopy) y espectroscopía de efecto túnel (STS, del inglés scanning tunneling spectroscopy)

 

Encontraron que los QDs revelan la forma de la función de onda cuántica con una simetría rotacional de orden 3 (es decir, invariante ante giros de 120º). Mediante el uso de un modelo numérico de unión estrecha, determinaron que la simetría observada puede atribuirse a bandas anisotrópicas de baja energía. Es importante destacar que la forma de los estados QD determina el espectro de energía de los electrones, las interacciones entre los electrones y el acoplamiento de los electrones a su entorno, todos los cuales son relevantes para el procesamiento de la información cuántica.

 

Los QDs definidos electrostáticamente en la bicapa de grafeno apilado son una plataforma prometedora para la información cuántica. Las tecnologías digitales convencionales codifican la información en bits de dos estados representados como 0 o 1. Sin embargo, en un QD, un bit cuántico o qubit, puede representar ambos estados al mismo tiempo debido a la superposición cuántica. En teoría, las tecnologías basadas en qubitspermitirán un aumento considerable en la velocidad de cómputo.

 

Los resultados fueron publicados en Nano Letters.

 

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Actividad antimicrobiana de las nanopartículas por deformación mecánica de la membrana

 

La actividad antibacteriana de las nanopartículas está relacionada con la ruptura de su membrana celular por deformación mecánica; sin embargo, los mecanismos que subyacen la deformación y la ruptura de la célula bacteriana aún no han sido identificados.  

 

En un estudio multinacional, se utilizaron nanopartículas de oro con un tamaño de 100 nm y de formas cuasi-esféricas (AuNSPs) o de estrellas (AuNSTs), caracterizadas por una química superficial ya sea hidrofóbica o hidrofílica, para analizar su efecto sobre la membrana celular.

 

Utilizando una plataforma microfluídica diseñada para el estudio, se comparó la adhesión de ambas NPs en un modelo  biofísico teórico de la membrana lipídica. 

Estos resultados se compararon con las observaciones experimentales hechas mediante técnicas de crio-microscopía electrónica de transmisión (crio-TEM) y de barrido (SEM) que muestran la interacción de las NPs con las membranas de las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus

 

Los resultados indican que las NPs adosadas a la membrana celular ejercen un esfuerzo acumulativo de estiramiento y compresión, lo que explica la ruptura de la célula. Las AuNSPs hidrofílicas demostraron ocasionar un mayor efecto antimicrobiano que las hidrofóbicas. 

 

Por otro lado, las AuNSTs mostraron actividad antimicrobiana modesta, lo que contradice la hipótesis de que las protuberancias de algunos nanomateriales contribuyen a destruir las membranas celulares. Las AuNSTs tienen menor área de contacto y baja capacidad de adsorción en la superficie de la membrana celular, por lo que no ejercen un esfuerzo mecánico suficiente. 

 

Estos resultados pueden proporcionar nuevas pautas para la síntesis de coloides antibacterianos universales.

 

El trabajo se publicó en Advanced Materials

Fotodetectores flexibles basados en la oxidación de cobre inducida por láser

 Los fotodetectores son elementos fundamentales de la optoelectrónica. Sus aplicaciones son muy diversas como: imagenología médica, análisis químico y comunicación óptica. Actualmente, el desarrollo de fotodetectores flexibles busca responder a la demanda de electrónica flexible, implantable y portátil.

 

Un candidato para obtener la estructura básica de un fotodetector (unión de Shottky), es decir,  estructura metal-semiconductor (MSM), es el cobre (Cu) por su extremadamente baja resistividad (1.68 μΩcm), bajo costo y alta estabilidad al depositarlo sobre sustratos de plástico. Por otra parte, los óxidos de Cu (Cu_xO) poseen bandas prohibidas que los convierten en ventajosos semiconductores tipo-p : CuO con banda prohibida de 1.3-2.1 eV y Cu₂O, de 2.3-2.6 eV.

 

Los métodos tradicionales  para producir depósitos de Cu_xO no son apropiados para depósitos sobre sustratos flexibles, ya que los plásticos pueden sufrir daño térmico como la  transición a fase vítrea, a una temperatura relativamente baja. 

 

Investigadores de Corea del Sur y EUA presentaron un método sencillo y controlable para fabricar fotodetectores  con estructura MSM a base de Cu, denominado oxidación inducida por láser. El haz láser irradia la película delgada de Cu en una atmósfera rica en oxígeno. La oxidación del Cu ocurre  en un punto por la reacción química entre el oxígeno y el Cu para formar Cu_xO. La sección trasversal de estos puntos muestra  una estructura MSM que consiste en estructuras Cu- Cu_xO -Cu en serie.

 

Estos fotodetectores flexibles podrían fabricarse a gran escala y aplicarse , por ejemplo, al diagnóstico médico. Por otra parte, la oxidación térmica localizada podría desarrollarse como alternativa a la fotolitografía convencional.

 

Los resultados fueron publicados en Applied Surface Science

MXenos de dos metales de transición, materiales 2D con múltiples aplicaciones potenciales

En años recientes ha incrementado significativamente el interés por el diseño de materiales bidimensionales (2D) para aplicaciones tecnológicas como el almacenamiento de energía, la electrónica, membranas, catalizadores y sensores. Entre ellos, los MXenos (del inglés MXenes) son una gran familia de carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición bidimensionales descubiertos en 2011 que ofrecen combinaciones únicas de propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas y coloidales.

 

Investigadores de E.U.A presentaron un resumen sobre la síntesis, estructura y propiedades de los MXenos que proporciona una perspectiva para futuras investigaciones en el campo. El artículo se focaliza en MXenos de dos metales de transición (DTM, del inglés double transition-metal). En general, los MXenos son láminas 2D con fórmula M_n+1X_nT_x, donde n + 1 (n = 1 a 4) capas de un metal de transición (M) están intercaladas con n capas de carbono o nitrógeno (X). El símbolo T_x representa las terminaciones de especies de O, OH, F y/o Cl unidas a las capas M externas.

 

Los MXenos DTM poseen estructura ordenada en el plano o fuera del plano y, en algunos casos, son soluciones sólidas aleatorias en las que los metales de transición se distribuyen al azar. El control de la composición del precursor permite ajustar el rendimiento de los MXenos DMT para una variedad de aplicaciones como supercapacitores, semiconductores, electrónica transparente, nanoimanes y materiales estructurales.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en MRS Bulletin

Hacia una mejor comprensión de los ácidos de Lewis a base de aluminio en las zeolitas

Las zeolitas son catalizadores heterogéneos para reacciones catalizadas por ácidos, bases y metales en muchas aplicaciones industriales. Su versatilidad catalítica se debe a la coexistencia de aluminio y silicio en su estructura. Las cuestiones fundamentales relativas a la estructura y el papel de los sitios ácidos de Lewis en estos materiales son de particular interés. Los modelos propuestos sobre el origen de tales especies generalmente  consideran, que tienen diferentes estructuras: aluminio fuera de la estructura cristalina; aluminio relacionado con la estructura cristalina y aluminio dentro de la estructura cristalina.

 

Un equipo de científicos de Suiza examinó cada una de estas propuestas y  evaluó su idoneidad para comprender los resultados experimentales y caracterizar la fuerza, multiplicidad, localización y estructura de los sitios catalíticamente activos del ácido de Lewis en zeolitas.

 

El tratamiento con vapor a alta temperatura fue uno de los primeros métodos utilizados para crear sitios ácidos de Lewis en las zeolitas; posteriormente se utilizaron otros métodos. Todos estos son procedimientos simples y económicos que son fáciles de implementar para zeolitas de cualquier topología y relación Si/Al. La formación de sitios ácidos de Lewis de una cierta fuerza y una cierta posición en la estructura porosa de la zeolita está determinada por la distribución de aluminio en la estructura. El progreso en la síntesis racional de zeolitas ácidas de Lewis, complementado por la caracterización metodológica de los sitios activos, ayudará a resolver aspectos sin respuesta de las aplicaciones catalíticas que utilizan sitios ácidos de Lewis en zeolitas. 

 

Los resultados fueron publicados en Nature Materials

Ruptura de simetría de la bicapa de grafeno al girarla 1.3o

 

Actualmente es posible aislar hojas de una sola capa atómica de materiales tipo Van der Waals, como el grafeno, mediante un procedimiento de exfoliación con cinta adhesiva. También se sabe cómo recoger dichas láminas de espesor atómico y ensamblarlas una encima de la otra. Si se  gira la segunda capa con respecto a la primera por un pequeño ángulo de torsión aparece un patrón geométrico llamado patrón de Moiré, producto de la interferencia de las ondas electrónicas de los átomos de la estructura de bicapas giradas.

 

Investigadores de Japón y Estados Unidos estudiaron estados  aislantes correlacionados que pueden ocurrir en heteroestructuras de Van der Waals giradas y que podrían ajustarse cambiando el ángulo de torsión y aplicando un campo eléctrico externo. Presentan mediciones de transporte eléctrico en bicapas de grafeno girado por 1.3^o, y examinaron el papel de la ruptura espontánea de la simetría en el diagrama de fases del material. Los estados metálicos cerca de cada uno de los aislantes correlacionados exhiben caídas abruptas de su resistividad a medida que baja la temperatura, junto con las características curvas corriente-voltaje no lineales asociadas. A pesar de las similitudes cualitativas con la superconductividad, la inversión simultánea en el signo del coeficiente de Hall apunta a la ruptura espontánea de la simetría como el origen de las caídas abruptas de resistividad, mientras que el calentamiento por efecto Joule podría ser responsable del transporte no lineal.

 

Estos resultados sugieren que mecanismos similares son probablemente relevantes en una clase más amplia de heteroestructuras semiconductoras de banda plana  tipo Van der Waals.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Physics

 

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Posibles efectos adversos del consumo de nanopartículas de TiO2

 El dióxido de titanio (TiO₂) es un aditivo alimentario (E171) utilizado como agente blanqueador y abrillantador en dulces, productos lácteos y salsas. Actualmente, no es conclusiva la evidencia de que el TiO₂ y sus nanopartículas (NPs- TiO₂) (<100 nm) son biocompatibles y se ha sugerido que la exposición prolongada a estos nanomateriales puede causar efectos adversos. 

Investigadores holandeses analizaron el nivel de titanio en el hígado y colon de muestras post-mortem de 15 individuos y lo compararon con los niveles reportados en tejidos aislados de animales previamente expuestos de forma oral a TiO₂ y NPs- TiO₂. Los resultados sugieren un posible papel de estos materiales como promotores del desarrollo de tumores colorectales y de enfermedades autoinmunes asociadas a problemas intestinales. 

 

En este estudio se utilizó una potente técnica conocida como “Adverse Outcome Pathways, AOPs”, o “Vías de Resultados Adversos”, que se enriquece con datos experimentales y describe con precisión los mecanismos moleculares, celulares y las vías bioquímicas implícitas en un efecto toxicológico, asociándolas con su efecto en un órgano o sistema. 

 

Los autores concluyen que la exposición oral a TiO₂ y NPs- TiO₂, ocasiona efectos toxicológicos graves, como la inducción del estrés oxidativo e inflamación del hígado y del tejido intestinal. Todavía se desconoce si estos efectos son irreversibles en el humano. 

 

El estudio recomienda realizar ensayos de exposición prolongada de productos con contenido de TiO₂ y NPs- TiO₂, en concentraciones realistas de 1-1000 mg/Kg por peso corporal por día. 

 

Este tipo de estudios ayuda a evidenciar la importancia de la bioseguridad a largo plazo de los nanomateriales utilizados en productos comerciales.

 

Los resultados fueron publicados en la revista Nanotoxicology

Capacitores de iones de Li fabricados con materiales a base de grafeno

Las baterías y los supercapacitores a base de iones de Li son dispositivos para el almacenamiento de energía, con numerosas aplicaciones en aparatos electrónicos, redes eléctricas inteligentes y vehículos eléctricos.

 

Actualmente, los capacitores de iones de Li (LIC ‘s por sus siglas en inglés)  se investigan intensamente para vencer ciertas limitaciones. Una alternativa ventajosa al cátodo de carbono amorfo que se usa hoy en día son los materiales porosos basados en grafeno (GPC, por sus siglas en inglés), que presentan mayor área específica, porosidad controlable, una alta conductividad eléctrica inherente y  química de la superficie que se puede modificar fácilmente.

 

En este trabajo, un grupo interinstitucional de investigadores de China presentó el diseño de un LIC en el que se combinaron un capacitor de doble capa eléctrica como cátodo y una batería de Li como ánodo. Tanto el cátodo como el ánodo contenían grafeno a partir de óxido de grafeno y de resinas fenólicas, con porosidad y microestructura controlable. Debido a la incorporación de grafeno, los LIC’s presentaron un alto voltaje de trabajo (4.2 V), alta densidad de energía de 142.9 Wh kg⁻¹, máxima densidad de potencia de 12.1 kW kg⁻¹ y densidad de energía de 50 Wh kg⁻¹, Además, mostraron funcionamiento cíclico con estabilidad de largo plazo (capacidad de retención de 88%  después de 5000 ciclos).

 

Considerando el alto rendimiento del dispositivo,  así como  el bajo costo y la fácil preparación de los materiales activos, este LIC  basado en grafeno podría tener aplicaciones muy promisorias en sistemas de almacenamiento de energía.

 

Para mayor información, consultar la revista Nanotechnology

 

 

 

 

 

Superredes aperiódicas minimizan la conductividad térmica de fonones coherentes

 La conductividad térmica de la red cristalina es una propiedad termo-física trascendental en semiconductores y aislantes,  y se emplea en aplicaciones termoeléctricas, de manejo de la energía térmica y barreras térmicas.

 

Para la nano-ingeniería de las últimas décadas, los fonones térmicos se consideran partículas que se dispersan de manera incoherente y difusa  en las nanoestructuras, produciendo una reducción en la conductividad térmica de la red.

 

Sin embargo,  aprovechando  la dualidad onda-partícula de los fonones, cuando estos se consideran ondas coherentes,  la conductividad térmica de red resulta mucho más baja, en concordancia con las medidas experimentales. Su naturaleza ondulatoria, aunado al fenómeno de la interferencia, permite la manipulación del transporte de ondas fonónicas y el control de la conductividad térmica a través de interfases de nanoestructuras.

 

Considerando los fonones como ondas coherentes, investigadores de China y Japón diseñaron una superred aperiódica optimizada de capas de GaAs y AlAs que minimiza la conducción del calor por fonones coherentes mediante el acoplamiento alternativo de la teoría de transporte de fonones coherentes y técnicas computacionales de aprendizaje automático. La conductividad térmica de la superred aperiódica fabricada, concuerda con los cálculos en un intervalo de temperatura de 77 a 300 K, demostrando que se puede controlar la interferencia (constructiva y destructiva) de las ondas aperiódicas complejas de fonones coherentes. Comparando con superredes periódicas convencionales, demostraron que la conductividad térmica de la superred aperiódica es significativamente más pequeña debido a que logran una mejor localización de los fonones.

 

El control de fonones coherentes mediante interferencias aperiódicas abre una nueva ruta para la ingeniería fonónica.

 

Los resultados se publicaron en Physical Review X

 

Mas información en MRS Bulletin

Catalizadores de zeolita con protuberancias acanaladas

Las zeolitas son aluminosilicatos de metales cuya estructura presenta microporos, lo que les confiere propiedades adsorbentes y una gran capacidad de intercambio catiónico. Se han desarrollado como catalizadores en los que se ha buscado superar las limitaciones de transferencia de masa inherentes a los microporos. Las estrechas aperturas de los poros y las largas trayectorias de difusión dan como resultado una desactivación rápida de los catalizadores zeolíticos debido a la acumulación de depósitos de carbono (coque). 

 

La síntesis de zeolitas nanométricas puede reducir significativamente las limitaciones de la difusión interna, lo que conduce a un aumento en la eficiencia de la catálisis y la adsorción. Sin embargo, la obtención de cristales de zeolita de menos de 100 nm de tamaño no es trivial, a menudo requiere el uso de compuestos orgánicos complejos y normalmente conduce a un bajo rendimiento de producto. 

 

Un equipo internacional de investigadores reportó una forma ingeniosa de preservar las ventajas de los cristales a nanoescala, evitando los problemas de su síntesis. Para mejorar las propiedades de transferencia de masa de las zeolitas propusieron el crecimiento epitaxial de protuberancias acanaladas en semillas de cristales. El modelado molecular y los experimentos sobre el estudio de la difusión interna muestran una mejora significativa en la transferencia de masa. En las pruebas catalíticas, las protuberancias se comportan como pseudo-nanocristales con dimensiones acorde con el tamaño del borde. Este enfoque puede utilizarse para mejorar el rendimiento de catalizadores comerciales y extenderse a la síntesis de otras zeolitas y materiales de aluminosilicatos.

 

Los resultados fueron pulicados en Nature Materials

La densidad como factor en el diseño de micro y nanomotores ultrasónicos

El progreso tecnológico busca ir a escalas cada vez más pequeñas y desarrollar dispositivos que puedan operarse a distancia en el interior del cuerpo humano. Los nanomotores propulsados por ultrasonido son un ejemplo de ellos. 

 

Científicos mexicanos de la UNAM en colaboración con investigadores de EUA diseñaron motores tipo Janus (del griego “que posee dos caras”) que consisten de una micropartícula recubierta en uno de sus hemisferios con una estructura de multicapas de alta densidad de espesor nanométrico. Al ser excitada con ultrasonido en medios líquidos, la asimetría en la distribución de densidades permite propulsar a la partícula debido a que ésta oscila y vibra, generando una corriente acústica a su alrededor. La intensidad de esta corriente está relacionada con la densidad del material, lo que hace que sea más intensa en una dirección, generando propulsión de la partícula.

 

Por otra parte, la estructura de multicapas incluyó un material magnético que permite orientar a la partícula, lo cual resultó en una propulsión más eficiente y permitió que fuera guiada a distancia. Sin embargo, el papel del material magnético no termina aquí. También permite que las partículas se muevan rodando sobre las superficies mediante la acción de campos magnéticos oscilatorios. 

 

Asimismo, cuando la capa externa es de platino, funciona como catalizador que descompone combustibles y propulsa al motor, logrando un diseño híbrido.

 

Este trabajo  incorpora  la densidad  como innovador criterio de diseño que abre las puertas a una nueva generación de  micro y nanomotores con diversas aplicaciones potenciales en biomedicina.

 

Mas información en: Advanced Functional Materials

 

 

  

Detector de gases con muy alta sensibilidad basado en capas ultradelgadas de platino

Los detectores de gases son transductores que, a su vez, son dispositivos que convierten una interacción fisicoquímica entre un material sensor y un gas en una señal eléctrica.  Ésta se puede detectar en las dos terminales de una resistencia de un circuito eléctrico. El grafeno ha revolucionado los sensores en la escala nano, pero es químicamente inerte y no es aplicable como detector de gases.

 

Un grupo de investigadores de Suecia y España descubrió la posibilidad de preparar una capa de platino de un solo átomo que puede ser usado como sensor químico. 

 

El depósito de capas eléctricamente continuas de Pt se realizó mediante la técnica de deposición física de vapores de Pt empleando un cañón de electrones. Películas de 3–4 Å de espesor se depositaron sobre un sustrato compuesto por una capa de carbono cero (también conocida como la capa amortiguadora) producida epitaxialmente  sobre carburo de silicio (SiC). La conductividad eléctrica de la capa metálica cambió notablemente cuando interactuó con el analito químico, debido a la transferencia de cargas hacia y desde el Pt. 

 

La fuerte interacción del Pt con especies químicas permite la fabricación de dispositivos quimiorresistores para la detección eléctrica de compuestos con límites de detección de menos de una parte por billón (ppb o partes por billón, en nuestro sistema métrico significa partes por millón de millones, distinto al sistema métrico inglés en el que ppb, parts per billion, significa partes por mil millones.) El sistema 2-D formado por Pt atómicamente delgado sobre la capa de carbono cero en SiC abre la posibilidad para la detección química resiliente y de alta sensibilidad y puede ser la ruta a seguir para diseñar nuevos catalizadores heterogéneos con actividad y selectividad incrementadas.

 

Los resultados se publicaron recientemente en la revista científica Advanced Material Interfaces.

 

Más información en Nanotechnology News.

Bionanotecnología en la agricultura

La creciente demanda alimentaria de la población mundial requiere de una agricultura sustentable. Con este fin, la bionanotecnología ha investigado nanopartículas (NPs) cuyas características fisicoquímicas contribuyen al crecimiento vegetal y a la tolerancia a las sequías. 

 

Investigadores de China presentaron una revisión de NPs aplicables a la agricultura. Destacan la eficacia de nanopartículas (NPs) de CeO₂ y C60 para mitigar el estrés oxidativo ocasionado por la salinidad del suelo y las temporadas de sequía. Estas nanopartículas actúan como nano-enzimas al eliminar las especies de oxígeno altamente reactivas (ROS, del inglés reactive oxygen species) ya que mimetizan la actividad catalítica de enzimas antioxidantes.

 

También reportan que las NPs de SiO₂, inducen la producción de compuestos fenólicos y otros antioxidantes que aumentan la resistencia de las plantas. Los nanofertilizantes proveen a los cultivos nutrientes esenciales: por ejemplo, el TiO₂ y el ZnO promueven el crecimiento y la acumulación de biomasa en los cultivos de frijol; el SiO₂ y el Fe₂O₃ incrementan el contenido de clorofila y la eficiencia de fotosíntesis en la planta; las NPs a base de molibdeno contribuyen a la fijación de nitrógeno, mientras que las de CeO₂ optimizan el transporte del Na⁺ desde la raíz hacia los tallos, promoviendo su crecimiento. Por su parte, las NPs de MgO confieren resistencia al estrés hídrico en las plantas de tomate. 

 

Por otra parte, los nanotubos de carbono de pared sencilla y múltiple, el óxido de grafeno y los fulerenos se utilizan como nano-pesticidas para el control de plagas y enfermedades causadas por microorganismos. 

 

Esta amplia revisión resalta los beneficios de la bionanotecnología para los cultivos y su contribución a la gran demanda de alimento. 

 

Mayor información: Journal of Agricultural and Food Chemistry of ACS

La detección óptica de resonancia magnética en nitruro de boro hexagonal se asocia a defectos asociados con vacancias de borde

 En 2016 se descubrió la emisión de un solo fotón (SPE, por sus siglas del inglés single photon emission) que se origina en defectos del nitruro de boro hexagonal (h-BN). Esto motivó investigaciones teóricas y experimentales con el fin de entender el origen de esta emisión. Recientemente, se ha reportado la detección óptica de resonancia magnética (ODMR, por sus siglas del inglés optically detected magnetic resonance) en el h-BN. 

 

En este trabajo un grupo internacional de investigadores estudió cómo varían las propiedades de los defectos dependiendo de su ubicación, ya sea que se localicen en el volumen del material o en un borde de la última capa. El modelo propuesto considera láminas periódicas de 1 o 2 dimensiones. Las estructuras en 1 dimensión consisten en una línea infinita de bordes de h-BN. 

 

Los resultados demuestran que las propiedades ópticas y magnéticas de los defectos sufren cambios considerables en función de su ubicación. Los cálculos para el estado base del espín y el espectro de fotoluminiscencia proveen evidencia de que las observaciones de ODMR para el h-BN se deben, en un caso,  a las vacancias de boro con signo negativo (V_B^-) ubicadas en el volumen de la lámina. Igualmente se explica otra observación de ODMR que puede deberse a una vacancia de nitrógeno con signo negativo (V_N^-) localizada en los bordes de los escalones del h-BN. 

 

El interés se orienta a la posibilidad de aprovechar la SPE para aplicaciones en nanofotónica, información cuántica y otras tecnologías. 

 

Para mayor información, consultar: Comunications Physics of Nature

Formación colosal de vacancias de oxígeno en las interfaces de superredes de CeO2/Y2O3

El control preciso de los defectos de oxígeno ha convertido a los óxidos conductores iónicos y electrónicos mixtos en componentes clave de diversas tecnologías, entre ellas, la conversión y generación de energía. 

 Un método que se explora actualmente para generar vacancias de oxígeno en materiales es el uso de interfaces iónicas. Investigadores estadounidenses, empleando la técnica de epitaxia por ablación laser, reportaron el crecimiento de agujas nanoestructuradas de superredes de CeO₂/Y₂O₃ con estructuras cristalinas de fluorita/bixbyita, respectivamente, con orientación [001] y dispuestas en una arquitectura que los autores denominaron nanocepillo (del inglés nanobrush). La arquitectura del nanocepillo, cuyas cerdas exhiben el patrón de Chevron, fue previamente diseñada para lograr vacancias de oxígeno interfacial de alta densidad. . El crecimiento de las columnas individuales se rige tanto por la agregación limitada por difusión, como por el efecto de sombra. La heterointerfaz entre las capas de fluorita y bixbyita, bien definida atómicamente por los planos (111), induce la modulación de carga entre los Y⁺³ y Ce⁺⁴ habilitada por el desacople de la valencia química entre los dos elementos y propicia la formación de un número colosal de vacancias de oxígeno. Los análisis estructural y químico, y los cálculos teóricos, sugieren que más del 10% de los átomos de oxígeno se eliminaron espontáneamente sin deteriorar la estructura reticular.

 

La arquitectura de nanocepillo de la fluorita-bixbyita proporciona una plataforma para el diseño de arquitecturas de óxido interfacial que posibilita la creación, el control, y el transporte con precisión de las vacancias de oxígeno y su introducción en el desarrollo de dispositivos ionotrónicos y memristivos para tecnologías avanzadas de energía y computación neuromórfica.

 

Los resultados se publicaron en Nature Cumminications.

 

Mas información en MRS Bulletin.

Ordenamiento dieléctrico de moléculas de agua dispuestas en una red dipolar

 

A lo largo de las últimas décadas se ha investigado si las moléculas de agua, con su fuerte momento dipolar de p₀ = 1.85 Debye, se pueden condensar adoptando un orden ferroeléctrico o antiferroeléctrico. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno intermoleculares interfieren con el orden (anti) ferroeléctrico de largo alcance del agua. 

 

Si las moléculas de H₂O se confinan en celdas nanométricas de un cristal dieléctrico, su ubicación en canales a una distancia de ~ 5 Å con una separación entre canales de ~ 10 Å evita la formación de enlaces de hidrógeno, mientras que las interacciones eléctricas dipolo-dipolo siguen siendo efectivas.

 

En este trabajo, un equipo internacional de investigadores reporta estudios experimentales y cálculos de primeros principios en cristales de cordierita hidratados, y concluyen que las moléculas de H₂O forman una red dipolar altamente ordenada a bajas temperaturas. Cuando las moléculas de agua son retenidas en canales anisotrópicos a nanoescala formados por la red iónica del cristal, experimentan una transición de fase ferroeléctrica del tipo de orden - desorden cerca de T₀ = 3 K.  Sus conclusiones se basan en la dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica, capacidad calorífica, corriente piroeléctrica y polarización. Los cálculos apuntan a que hay una interacción antiferroeléctrica de los dipolos moleculares de H₂O a lo largo del eje "c" del nanocanal, y una interacción ferroeléctrica en los planos "ab". Como resultado, la fase de baja temperatura se caracteriza por dominios ferroeléctricos planos,  con ordenamiento antiferro a lo largo de la dirección “c” de los nanocanales. 

 

Esta transición de fase polar tan esperada en un sistema de moléculas dipolares de agua acopladas a largo alcance, demuestra que los cristales dieléctricos con moléculas de agua confinadas en el interior de su enrejado cristalino proporcionan una plataforma para estudios de diferentes fases y transiciones de fase como contraparte eléctrica de los sistemas de momentos magnéticos.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications.

GeSb2Te4 compuesto de cambio de fase topológicamente no trivial

 

Recientemente se ha reportado un nuevo tipo de materiales que cambian reversiblemente entre una fase amorfa y una cristalina y se les denomina “materiales de cambio de fase” (PCM por sus siglas en inglés). Por esta razón, han llamado mucho la atención ya que sus propiedades ópticas y eléctricas son muy diferentes y contrastantes dependiendo de la fase en que se encuentren.

 

Un grupo de investigadores de Japón y Rusia  encontró  experimentalmente una fase cristalina del calcogenuro GeSb₂Te₄ topológicamente no trivial, vecina a la fase semimetal de Dirac, por medio de  espectroscopía de fotoemisión con resolución angular, de espín y temporal. Los resultados experimentales fueron  complementados con cálculos de primeros principios. 

 

Se encontraron bandas tipo-Dirac que cruzan el nivel de Fermi y que explican la conductividad en la fase cristalina estable de GeSb₂Te₄, que se considera un análogo 3D del grafeno. Este hallazgo brinda la posibilidad de producir las llamadas corrientes de Dirac libres de inercia (como si los electrones no tuvieran masa) en este tipo de materiales que cambian de fase. 

 

Las aplicaciones más interesantes se encuentran en el campo de los dispositivos de memoria, no-volátil y de alta velocidad, donde la información se puede escribir y reescribir varias veces.

 

Los resultados se publicaron en la revista ACS Nano

 

Más información en Nanotechnology News

Nanosensores para la detección de enfermedades respiratorias

Los análisis clínicos por lo general se basan en la detección de moléculas en la sangre

o en la orina. Similarmente, los gases emitidos en la exhalación podrían ofrecer una alternativa para detectar enfermedades respiratorias. Sin embargo, los compuestos orgánicos volátiles (COV) sondeados en una exhalación se pueden confundir con otros COV producto de la dieta o del medio ambiente.

Recientemente, se han diseñado nanosensores intrapulmonares para detectar los niveles de enzimas, como la elastasa, que se producen durante una infección respiratoria. Los nanosensores (vABNs por sus siglas del inglés volatile-releasing activity-based nanosensors) constan de un andamiaje nanoestructurado al que va unida una molécula “reportera”, volátil y ajena al cuerpo humano, mediante un péptido. Al entrar en contacto con la elastasa, ésta libera a la molécula reportera separándola del nanosensor. Las moléculas reporteras se incorporan a la exhalación y pueden detectarse mediante un sofisticado espectrómetro de masas (MALDI-TOF del inglés Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectroscopy) en tiempos cortos y concentraciones picomolares. 

Investigadores de EUA sintetizaron vABNs consistentes en nanopartículas peptídicas acopladas con hidrofluoraminas y recubiertas con polietilenglicol para prolongar su permanencia en los pulmones. El tamaño promedio de los vABNs fue de 8.7 ± 2.1 nm.

Analizaron la exhalación de ratones con infección pulmonar provocada por la bacteria Pseudomonas aeruginosa. Encontraron que la actividad de la elastasa está correlacionada con la liberación de moléculas reporteras por los vABNs. Por lo tanto, los vABNs se vislumbran como materiales promisorios no invasivos y altamente sensibles para la detección rápida de enfermedades respiratorias. 

Los resultados de esta investigación fueron publicados en Nature Nanotechnology

Superconductividad en bicapas giradas de grafeno estabilizadas por medio de WSe2

Avances en la física de la materia condensada revelan la existencia de estados cuánticos no previstos que generan nuevos materiales para aplicaciones electrónicas. En 2018, se descubrió una estructura predicha teóricamente y denominada bicapa de grafeno girada a un “ángulo mágico” (MATBG del inglés magic angle twisted bilayer graphene), en la que una de las capas está ligeramente girada en relación con la otra. Mediante este giro, la densidad electrónica puede ajustarse para producir materiales con propiedades aislantes, superconductoras o ferromagnéticas. 

Investigadores de EUA y Japón estudiaron un MATBG que consta de dos capas de grafeno (TBG) situadas entre dos capas de nitruro de boro hexagonal (hBN) que funcionan como aislantes. Las bicapas TBG se apilan de modo que la red hexagonal de una de ellas se encuentra girada a un ángulo de 1.1° (ángulo mágico) con respecto a la segunda capa. Juntas, ambas redes forman una estructura periódica con patrón de Moiré cuya celda unitaria es de 15 nm. En este trabajo, para asegurar mayor estabilidad y control en la sintonía de los estados electrónicos, se añadió una capa aislante de WSe₂ entre la bicapa TBG y la capa superior de hBN. La capa aislante estabilizó el comportamiento superconductor de la bicapa de grafeno a ángulos de giro menores que el ángulo mágico; en este caso a un ángulo de 0.79°. La alineación de la TBG con la de hBN resultó ser un factor crítico.  

Estos resultados afinan las explicaciones teóricas acerca de la aparición de superconductividad en estructuras de TBG y dan pie al diseño de fases cuánticas en los sistemas tipo Moiré así como a nuevas aportaciones al campo de nanomateriales electrónicos.

Los resultados se publicaron en la revista Nature.

Almacenamiento eficiente de energía mecánica en manojos de nanohilos de carbono

Un desafío en la investigación y el desarrollo de tecnología sobre energía renovable es incrementar la capacidad de almacenamiento y entrega eficiente de la energía.

Recientemente, se han reportado las excelentes propiedades mecánicas de los nanohilos de carbono (o nanohilos de diamante), que ofrecen una alternativa a los nanotubos de carbono usados para almacenamiento de energía mecánica de alta densidad.

Mediante la combinación de simulaciones de dinámica molecular de gran escala con la teoría de la elasticidad, investigadores de Australia y Singapur estudiaron la capacidad de almacenamiento de energía de manojos de nanohilos de carbono ultra-delgados bajo diferentes modos de deformación. Descubrieron teóricamente que, aunque los nanotubos de carbono individuales poseen mejores propiedades mecánicas que los nanohilos de diamante individuales, los manojos de nanohilos de diamante son estructuralmente más estables que los manojos de nanotubos de carbono, debido a que se pueden enrollar de manera más efectiva, almacenan más energía mecánica y la liberan con muy bajas pérdidas.

Encontraron que la densidad de energía gravimétrica del manojo de nanohilos puede alcanzar 1.76 MJ/kg bajo tensión pura, de 4 a 5 órdenes mayor que la de un resorte de acero y hasta tres veces más que las baterías de iones de litio. Los nanohilos de carbono, sus derivados, y la gran diversidad de sus configuraciones resultan de interés para establecer, teórica y experimentalmente, sus aplicaciones en el almacenamiento de la energía mecánica.

Los resultados se publicaron en Nature Communications.

Más información en Forbes.com

¿Pueden la nanotecnología y la ciencia de materiales contribuir a la lucha contra el SARS-CoV-2?

A partir de la propagación global del nuevo coronavirus (SARS-CoV-2), ha surgido una pregunta: ¿es posible crear nanomateriales con propiedades antivirales que puedan ayudar a limitar la propagación del virus, o aumentar la efectividad del equipo de protección personal mediante el desarrollo de recubrimientos antivirales?

En una carta al editor de la revista Nanomaterials, científicos italianos revisan y proponen soluciones tecnológicas basadas en nanomateriales para contribuir a distintos aspectos de la lucha contra el virus. Un ejemplo sería funcionalizar nanopartículas metálicas utilizando fármacos antivirales típicos, lo que proporciona una gran eficacia sinérgica al compuesto resultante. Las nanopartículas también se pueden usar para modificar máscaras quirúrgicas y respiradores. En el futuro, puede preverse el desarrollo de nanomedicinas que combinen nanoportadores biodegradables y agentes nanoantivirales para la aerosolización de los pulmones en pacientes ventilados. Esto proporcionaría una concentración local más alta del fármaco antiviral, limitando su penetración en el torrente sanguíneo y, por lo tanto, reduciendo los efectos secundarios.

Por otro lado, los textiles y recubrimientos antivirales y antibacterianos basados en nanomateriales, en forma de materiales desechables, constituyen otro ejemplo que requiere una respuesta tecnológica rápida empleando nanomateriales antivirales híbridos.

En este artículo se examinan estas y otras aportaciones que pueden hacer la nanotecnología y la ciencia de materiales para contribuir a la lucha contra el SARS-CoV-2.

El trabajo fue publicado recientemente en Nanomaterials.

Transición de semiconductor a metal en oro bidimensional

Los metales en general y el oro en particular se caracterizan por su buena conductividad eléctrica. Sin embargo, investigadores de Alemania e Italia, han descubierto que algunos metales preciosos, como el oro, pierden esta propiedad si son lo suficientemente delgados. En el caso extremo de una monocapa atómica (capa del grosor de un átomo) ésta se comporta como un semiconductor. 

Para estudios básicos así como para aplicaciones tecnológicas, existe mucho interés en producir monocapas atómicas de metales de transición pero, sobre todo si se desea obtener áreas grandes, la tarea no es fácil. Los investigadores sintetizaron la monocapa de oro bidimensional, intercalada y estabilizada entre carburo de silicio y una monocapa de grafeno. Mostraron experimentalmente que, en este arreglo, la monocapa 2D de Au es, en efecto, un semiconductor con una banda de valencia cuyo máximo nivel está 50 meV por debajo del Nivel de Fermi. Las capas de grafeno y oro en gran medida no interactúan, definiendo así una heteroestructura tipo van der Waals. 

Posteriormente, demostraron que, al ajustar la cantidad de oro entre el SiC y el grafeno, se induce una transición de semiconductor a metal en la monocapa de Au, no observada previamente y de gran interés por la física fundamental.

Estas nuevas propiedades de las monocapas de metales de transición podrían conducir a aplicaciones en magnetismo 2D, nanoplasmónica y óptica no-lineal. 

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Communications

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