jueves, 6 de agosto de 2020

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

jueves, 30 de julio de 2020

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.

jueves, 2 de julio de 2020

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

jueves, 25 de junio de 2020

¿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.

jueves, 18 de junio de 2020

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
Mas información en Nanotecnology News

jueves, 11 de junio de 2020

Nanopartículas como agentes de contraste en imágenes por rayos X


La imágenes obtenidas mediante rayos X son el método de diagnóstico más frecuente en la medicina moderna, y recientemente ha habido importantes avances en esta tecnología conocida como imagenología

Investigadores de Estados Unidos e Israel publicaron una revisión sobre el tema que abarca desde las primeras imágenes obtenidas por rayos X y sus principios físicos hasta una descripción de las nuevas modalidades de imagenología por rayos X. En particular, se examina la importancia de los agentes de contraste para la adquisición de imágenes, como tomografías computacionales., 

Los agentes de contraste mejoran las imágenes obtenidas por rayos X, ya que ayudan a distinguir el área del cuerpo u órgano investigado, de los tejidos circundantes. 

Los autores exponen las ventajas de utilizar nanopartículas metálicas como agentes de contraste. Las nanopartículas de plata, de oro, de aleaciones de oro/plata y las nanopartículas de bismuto, poseen alto nivel de contraste, son capaces de circular durante tiempos prolongados y sus propiedades fisicoquímicas son ajustables. Las nanopartículas metálicas también resultan ser menos tóxicas y de más fácil excreción que sus contrapartes macroscópicas. 

 En este trabajo se ofrece una alternativa a la práctica actual que utiliza sustancias químicas basadas en compuestos yodados, sulfato de bario, clústeres de tungsteno o gadolinio, entre otros. Pues aunque son usados frecuentemente, tienen efectos secundarios tan severos como daño renal y paro cardiorrespiratorio.  

El artículo fue publicado recientemente en 

viernes, 5 de junio de 2020

Calefactor de Joule basado en una monocapa de grafeno


La tecnología actual demanda sistemas de calefacción para uso en la industria, en automóviles, doméstico y en sistemas flexibles de micro-calefacción en prendas de vestir. Los calefactores más utilizados son de grafeno oxidado y luego reducido, o bien de láminas grafeno depositadas a partir de la descomposición química de vapores (CVD por sus siglas en inglés).

Un grupo de investigadores rusos reportó la síntesis de monocapas de grafeno utilizando el método CVD y metano como precursor del carbono. Utilizaron láminas de cobre como sustrato catalizador. Una vez depositado, el grafeno se transfirió a un sustrato polimérico mediante un método de impresión a alta temperatura. Además, se desarrolló un modelo teórico con el fin de estimar el gradiente térmico en los cristales de grafeno. El sobrecalentamiento local en las fronteras de grano de los cristales de grafeno es el  factor principal que limita la potencia de los calefactores de grafeno por lo que se require reducir el tamaño 2D de los cristales de grafeno en el recubrimiento. Resulta muy conveniente utilizar cobre como catalizador pues al no interaccionar químicamente con el carbono, la película de grafeno se puede separar  fácilmente del sustrato.

En este trabajo se demuestra la posibilidad de construir elementos de calefacción basados en grafeno sobre compuestos poliméricos con un flujo de calor de 0.6 W/cm2 en aire y 2.7 W/cm2 en agua. Además se propone un modelo teórico que describe las características del calefactor.

Más información en: Nanotechnology.