Detección del rechazo a trasplantes mediante nanosensores

Investigadores estadounidenses crearon un sistema de nanosensores para la detección temprana del rechazo a un trasplante de piel. Los sensores se componen de nanopartículas de óxido de hierro conjugadas con el fluoróforo isotiocianato de fluoresceína (FTIC, por sus siglas en inglés), un inhibidor (del inglés quencher) de la señal del FTIC y un péptido. Éste actúa como substrato específico de la granzima B, la enzima responsable de la activación de los linfocitos T que, a su vez, son las células del sistema inmune que responden para rechazar al trasplante. 

Las NPs se administraron por vía sistémica a ratones con un injerto de piel. Se acumularon preferentemente en la zona del tejido donde la granzima B puede seccionar al extinguidor y liberar al indicador fluorescente de la FTIC, que a continuación es excretado del cuerpo mediante la orina. Posteriormente, para detectar si hubo una respuesta al injerto, se analiza la luminiscencia del FTIC presente en la orina. 

Este método podría determinar si hay un rechazo del injerto en etapas tempranas, evitando así realizar biopsias u otros procedimientos invasivos para asegurar la supervivencia del paciente y, en caso necesario, iniciar medidas para solucionarlo. En el futuro estos sensores podrían aplicarse para estudiar la respuesta en otro tipo de trasplantes. 

La noticia se publicó en Nature y en Nature Biomedical Engineering

Diodos emisores de luz con puntos cuánticos de InP@(ZnSe/ZnS).

En este trabajo, investigadores de Corea del Sur diseñaron una ruta de síntesis para lograr puntos cuánticos con estructura tipo núcleo-coraza, de alta simetría (casi esféricos) y con una eficiencia cuántica de casi 100%. El objetivo es sustituir elementos  tóxicos como Cd por alternativas más benignas. El sistema consiste de un núcleo de InP y una coraza de ZnSe. El sistema se optimizó con otra capa de ZnS de modo que el dispositivo final es InP@(ZnSe/ZnS). Presentó una eficiencia cuántica externa de 21.4%, una intensidad de la luz de 100,000 candelas por metro cuadrado y una vida útil de un millón de horas a 100 candelas por metro cuadrado. Estos puntos cuánticos tienen un rendimiento comparable con los que contienen Cd. Las diferentes etapas de la construcción del punto cuántico fueron caracterizadas y evaluadas por diversas técnicas analíticas, ópticas y electrónicas.

Los diodos emisores de luz construidos a partir de puntos cuánticos (QD-LED’s por sus siglas en inglés) han resultado ideales para la construcción de pantallas de grandes dimensiones por sus propiedades como: alta eficiencia, pureza de color, repetibilidad y métodos de fabricación con un costo-beneficio muy favorable.

Los resultados fueron publicados en Nature

Piel artificial inteligente a base de cristales fotónicos inspirada en el camaleón

Inspirándose en la naturaleza, en la ciencia e ingeniería de materiales se intenta sintetizar materiales fotónicos que puedan cambiar su color condicionados por el entorno, como sucede en los camaleones, pulpos, los peces tetra neón y otros. Tales materiales, denotados como "pieles inteligentes", son de gran importancia en diversas aplicaciones que van desde el camuflaje, sensores químicos, biodetección y comunicaciones, hasta la lucha contra la falsificación. Entre ellos resaltan los hidrogeles que tienen integrados cristales fotónicos responsables del color; sin embargo, una limitación importante es que requieren una deformación significativa (> 20%) para cambiar la constante de red de los cristales y generar un desplazamiento cromático observable (∼100 nm). 

Al analizar el mecanismo del cambio de color de la piel del camaleón, investigadores de Estados Unidos desarrollaron una piel inteligente que se adecúa a la tensión y mantiene casi constante su tamaño durante el cambio cromático en respuesta a los estímulos térmicos y de la luz solar.  La piel inteligente se compone de dos capas. La primera es una capa de arreglos cuadrados de un hidrogel que contiene embebidos y dispersos los cristales fotónicos compuestos de nanopartículas magnéticas tipo core-shell Fe₃O₄@SiO₂, y es la encargada de responder a los estímulos. Ésta capa se dispone sobre otra que consiste en un segundo hidrogel con propiedades mecánicas robustas que permite absorber las contracciones y expansiones. La estrategia establecida proporciona la metodología para el diseño futuro de pieles inteligentes artificiales.

Los resultados fueron publicados recientemente en ACS Nano

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Desarrollo de estructuras metálicas superhidrofóbicas e insumergibles

Las superficies superhidrofóbicas (SH) prometen numerosas aplicaciones. Como regla, tales superficies son ricas en textura en la nano y microescalas. La superhidrofobia se asocia a capas de aire atrapado por estas estructuras. La superficie SH se daña fácilmente por abrasión mecánica y su efectividad se pierde al sumergirse en agua, por lo que su uso es limitado.

Científicos de EE.UU. y China superaron estos obstáculos desarrollando una estructura de metal flotante SH multifacética. En este trabajo, las nanoestructuras de la superficie fueron creadas por pulsos láser con una duración de una millonésima de nanosegundo (femtosegundo). El nuevo material presenta una capacidad de flotación sin precedente incluso después de varios meses de inmersión forzada en agua. Además,  flota incluso después de daños mecánicos extensos y perforaciones. Esta característica es única en comparación con los dispositivos flotantes convencionales.

El estudio de las superficies SH se enmarca en el campo de materiales bioinspirados en el que se trata de emular funciones de los seres vivos. En este caso el  diseño fue inspirado por las arañas de agua (Argyroneta aquatica) y las hormigas de fuego (Solenopsis). Constituye un punto de partida para el desarrollo de proyectos biomiméticos inspirados en criaturas que usan sus superficies SH, incluso completamente sumergidas bajo el agua. 

Los resultados fueron aceptados para publicación en ACS Applied Materials & Interfaces

Propiedades mecánicas dependientes de la composición en aleaciones de alta entropía

Las aleaciones de alta entropía son materiales que contienen cinco o más elementos en proporciones casi equiatómicas. Su composición no convencional y su estructura química son prometedoras para lograr combinaciones de propiedades mecánicas sin precedentes.

Investigadores de Estados Unidos y China llevaron a cabo un mapeo químico con resolución atómica para revelar la distribución de los elementos en la aleación de Cantor formada por CrMnFeCoNi y en otra de CrFeCoNiPd, ambas cúbicas centradas en la cara. En la aleación de Cantor la distribución de los cinco elementos constituyentes es relativamente aleatoria y uniforme. Por el contrario, en la aleación CrFeCoNiPd,  los átomos de paladio promueven una disminución de la homogeneidad debida a una mayor agregación de los elementos. Las pruebas esfuerzo-deformación realizadas in situen un microscopio electrónico de transmisión revelan mecanismos de deformación en la aleación CrFeCoNiPd, que difieren notablemente de los de la aleación de Cantor y otras aleaciones de alta entropía.

El  control de la composición de una aleación de alta entropía permite ajustar la distribución de los elementos, la estructura y sus propiedades. Estos hallazgos podrían permitir a los investigadores en el futuro diseñar aleaciones a la medida con propiedades específicas.

Los resultados se publicaron recientemente en Nature

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Nanopartículas como enzimas artificiales contra el cáncer

Investigadores de China reportaron el uso de enzimas artificiales basadas en nanopartículas (nanoenzimas o NEs) de Cu_2-xTe para combatir la metástasis y la recurrencia de tumores en animales. Estas enzimas inorgánicas artificiales, a diferencia de las proteicas, tienen mayor estabilidad y son más baratas y fáciles de obtener. Los autores sintetizaron nanopartículas NEs de Cu_2-xTe con actividad enzimática de glutatión oxidasa y peroxidasa. La primera disminuye la cantidad de glutatión, el principal antioxidante celular; la segunda promueve la formación de especies de oxígeno altamente reactivas (ROS, del inglés reactive oxygen species). 

Los investigadores estudiaron el efecto fototérmico anticancerígeno de las NEs en ratones con cáncer. Cuando las NEs se irradian a 1064 nm tienen una eficiencia de conversión fototérmica del 39.4%, muy superior a todos los agentes utilizados en la fototerapia térmica en el infrarrojo cercano (1000-1350 nm). Esto induce la muerte de las células de cáncer al incrementar la formación de ROS en su interior, así como la inflamación localizada que activa a los macrófagos y finalmente reduce el tamaño del tumor. Cabe resaltar que las NEs evitaron la metástasis y las recurrencias del tumor. Estos hallazgos son importantes para el diseño de enzimas artificiales con funciones terapéuticas duales: la formación de ROS y el efecto fototérmico.

Los resultados fueron publicados recientemente en Angewandte Chemie 

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Conversión espín-carga y la estructura de bandas de un gas bidimensional de electrones

Como alternativa a la espintrónica dependiente de materiales ferromagnéticos, el presente trabajo se orienta hacia la orbitrónica de espínes que aprovecha la interconversión espín-carga que ocurre de manera muy eficiente  en materiales no-magnéticos, debido  al acoplamiento espín-órbita.  Investigadores de Europa, demostraron la alta conversión espín-carga que ocurre en una interface, al diseñar un gas de electrones bidimensional de SrTiO₃(STO) con alta densidad de portadores de carga y correlacionar el cambio de voltaje de compuerta con su estructura de bandas. El gas de electrones en 2D se preparó depositando Al (1 nm) sobre el óxido de titanio (TiO₂) de la superficie del STO.  Después se depositó una película delgada de NiFe. La composición química de las películas se determinó in situpor XPS.

Estos resultados indican que los gases de electrones bidimensionales generados con óxidos deben considerarse como candidatos muy fuertes para el transporte de espines en nuevos dispositivos como memorias y transistores.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Materials.

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Heteroestructuras de puntos cuánticos de perovskitas híbridas mejoran la eficiencia de celdas solares

Las perovskitas híbridas de haluros metálicos han adquirido gran interés en las aplicaciones optoelectrónicas como las fotovoltaicas. En celdas solares, las películas delgadas de perovskitas híbridas se fabrican a partir de precursores moleculares solvatados como adsorbentes de los fotoportadores. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes relacionados con su comportamiento de bulto, inestabilidad ambiental y de fase.

Un grupo de investigadores de China y Estados Unidos ha desarrollado una nueva celda solar basada en puntos cuánticos (QD, del inglés quantum dot) de perovskitas híbridas. Empleando soluciones coloidales de QDs, lograron crecer capa a capa una heteroestructura de QDs acoplados entre sí a través de un ligando conductivo que a su vez provee rigidez de sólido y mayor estabilidad ambiental y de fase. Esta nueva arquitectura mejora la separación y extracción de los fotoportadores e incrementa la corriente de corto-circuito y el factor de llenado, cruciales para el rendimiento del dispositivo. Con el control de la composición de cada capa se obtiene una distribución heterogénea de QDs que facilita la separación de los portadores en la interfaz interna y su migración hacia los electrodos respectivos. Utilizando estas heterostructuras, una de sus celdas solares prototipo alcanza 17.4% de eficiencia de conversión de potencia a la salida.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Communications.

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Tecnología del siglo XIX: los matices de las primeras fotografías se deben a nanoestructuras

El daguerrotipo, inventado por L. Daguerre (1787-1851) en el siglo XIX, fue uno de los primeros procesos que se dieron a conocer para producir imágenes fotográficas. Utilizaba placas de cobre recubiertas con plata pulida, que tratadas con vapores de I₂/Br₂formaba una capa superior de haluros de plata que, al ser expuesta a la luz, provocaba la formación de cúmulos de plata de 1 a 2 nm de diámetro. Luego, la capa resultante se trataba con vapor de mercurio dando como resultado una variedad de cristales de plata-mercurio de escala nanométrica. Cada nanocristal dispersaba un color que consistía en una combinación de tonos rojos y azules. En conjunto, la luz dispersada por los nanocristales formaba la imagen. 

Un equipo de científicos de la Universidad de Nuevo México analizó daguerrotipos usando modelado e imágenes microscópicas.  Descubrieron que la forma oblonga de las nanopartículas de plata-mercurio tiende a dispersar la luz azul a lo largo del eje vertical de la nanopartícula y la luz roja hacia afuera. Las nanopartículas de las fotografías antiguas dispersan una combinación de estos colores, creando los tonos característicos de la imagen. Los autores señalan que estos resultados pueden contribuir al desarrollo de las tecnologías de impresión que utilizan nanopartículas metálicas para formar imágenes a color. 

Los resultados fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

El grafeno es bidimensional y tridimensional

Este trabajo aborda una pregunta fundamental: ¿en qué medida se puede considerar al grafeno como grafito?

Un grupo de investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres encontró que el grafeno, además de ser un material bidimensional, presenta propiedades de un material tridimensional. El grosor del grafeno se debe a los enlaces químicos que sobresalen por encima y por debajo del plano 2-D de los átomos de carbono. De ahí que el grafeno en realidad es un material 3-D, aunque muy delgado.

Los investigadores reportaron por primera vez espectros Raman de grafeno aislado sometido a un esfuerzo. Cuantificaron los valores de la rigidez del grafeno en la dirección perpendicular al plano y encontraron que es consistente con la del grafito, es decir, sus resultados implican que la rigidez del grafeno y la del grafito  son similares.   

Tomar en cuenta que son materiales tridimensionales es importante para comprender sus propiedades mecánicas y para desarrollar nuevos dispositivos. 

Este estudio fue publicado recientemente en la revista Physical Review Letters.

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Conversión de carga a espín en heteroestructuras bidimensionales a temperatura ambiente

La generación de corriente  de espín sin electrodos ferromagnéticos, provee nuevas rutas para la generación de dispositivos espintrónicos controlados por medios totalmente eléctricos en materiales bidimensionales.

En este trabajo, un grupo de investigadores holandeses demostraron experimentalmente la conversión de carga a espín en una heteroestructura de monocapas de WS2-grafeno con enlace Van der Waals. Se midió la polarización del espín inducida por la corriente, hasta la temperatura ambiente,  controlada por el campo eléctrico de la compuerta. Mediante medidas del Efecto Hall de Espín (SHE, por sus siglas en inglés) se comprobó la presencia del efecto Rashba–Edelstein (REE, por sus siglas en inglés) y del efecto inverso IREE, los cuales explican el proceso de conversión de carga a espín. 

Estos resultados tendrán implicaciones significativas en aplicaciones de la espintrónica empleando materiales bidimensionales.

Los resultados fueron publicados recientemente en ACS Nano Letters.

Nanopartículas bimétalicas de Cu-Pt para controlar la selectividad en aldehídos no saturados.

La selectividad en catálisis es muy difícil de controlar, sin embargo, es clave para muchos procesos en la fabricación de productos químicos. Investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México, de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China y de la Universidad de California en Estados Unidos demostraron vía estudios teórico-experimentales que las nanopartículas de cobre con incrustaciones de átomos de platino favorecen la selectividad en la hidrogenación de los enlaces C=O en presencia de enlaces C=C en aldehídos no saturados.

Con el uso de experimentos que determinan la cinética de reacciones catalíticas se explicó que las superficies de las nanopartículas de cobre favorecen la hidrogenación de C=O sobre la de C=C con hidrógeno atómico, pero requieren la intervención de los átomos de platino impregnados para la activación de las moléculas de hidrógeno. Además, se determinó con cálculos de primeros principios, que esta selectividad se puede explicar en parte por la preferencia de las moléculas a formar enlaces Cu-O, lo que promueve barreras de menor energía para la hidrogenación de los enlaces C=O. 

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista ACS Catalysis.

Observación 4D a escala atómica de la nucleación cristalina

La nucleación es un fenómeno extendido en muchos procesos físicos, químicos y biológicos. Sin embargo, en su etapa inicial es extremadamente difícil de estudiar. Un grupo de investigadores de Estados Unidos y Corea desarrolló una metodología para observar las etapas iniciales del crecimiento cristalino en cuatro dimensiones (4D), es decir, en tres dimensiones (3D) y en diferentes tiempos del proceso, usando la tomografía electrónica de los átomos (AET, del inglés atomic electron tomography)

Los investigadores usaron nanopartículas de FePt como sistema modelo y descubrieron que, en la etapa inicial, los núcleos tienen una forma irregular. Con imágenes de AET muestran la estructura y la dinámica de los núcleos y observan que los procesos de crecimiento, fluctuaciones, disoluciones, de fusión y/o de división están regulados por la distribución del parámetro de orden y su gradiente. Las observaciones experimentales se corroboraron mediante simulaciones de dinámica molecular de nucleación heterogénea y homogénea en transiciones de fase líquida a sólida de Pt. Sus  resultados experimentales y de dinámica molecular indican que se necesita una teoría diferente a la clásica para describir la nucleación en la primera etapa a escala atómica.

Esta metodología teórico-experimental de análisis 4D en resolución atómica permitirá resolver problemas fundamentales en la ciencia de los materiales como estudios de  transición de fase, difusión atómica, dinámica de límite de grano, movimiento de interfaz, dinámica de defectos y reconstrucción de superficie, entre otros.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Nature

Un nuevo método sin insulina para la regulación de la glucosa en sangre

Investigadores de la Universidad de Toronto, Canadá, desarrollaron una estrategia para regular la glucosa en la sangre sin utilizar hormonas. Sintetizaron nanogeles poliméricos con estructura núcleo coraza que,  a manera de un hígado artificial, absorben o liberan glucosa, dependiendo de su concentración en la sangre. A altas concentraciones de glucosa (hiperglucemia), los nanogeles absorben estas moléculas, lo que conduce a la tumefacción de los nanogeles. Por el contrario, a bajas concentraciones de glucosa (hipoglucemia), los nanogeles se contraen para liberar la glucosa almacenada. El rendimiento in vivomostró que la inyección de nanogeles puede regular eficazmente la glucosa en la sangre de ratas con diabetes tipo 1 durante al menos 6 horas. Este trabajo requiere  mayor desarrollo para constituir una posible solución para pacientes con resistencia a la insulina.

Los resultados se publicaron recientemente en la revista Nanoscale

Nanotermómetros para determinar la temperatura de células individuales vivas

Un grupo internacional de investigadores sintetizó una sonda de borodipirrometano (BODIPY) capaz de medir la temperatura de objetos microscópicos mediante cambios en la constante de velocidad de descomposición no radiativa. La excitación de la molécula de BODIPY mediante un pulso de radiación electromagnética produce una fluorescencia característica que refleja la temperatura – con una resolución menor a un grado – de las células, que la incorporan tanto in vitrocomo in vivo. Es importante destacar que no se detectó toxicidad celular del BODIPY hasta una concentración de 100 μM. El BODIPY modificado con polietilenglicol (PEG-BODIPY) constituye un nanotermómetro fluorescente funcional capaz de determinar la temperatura de células individuales vivas de diversas líneas celulares. Con el PEG-BODIPY se podrán estudiar reacciones de choque térmico, metabolismo e hipertermia. 

Los resultados fueron publicados recientemente en The Journal of Physical Chemistry B

Ultra alto aislamiento térmico a través de materiales bidimensionales en capas heterogéneas

El exceso de calor emitido por los teléfonos celulares, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos contribuye a su mal funcionamiento y, en casos extremos,  a la explosión de las baterías de litio.

            Por otro lado, la integración heterogénea de nanomateriales ha permitido aplicaciones avanzadas en electrónica y fotónica. Sin embargo, este no ha sido el caso para las aplicaciones térmicas. 

            Investigadores de Stanford obtuvieron un aislamiento térmico inusualmente alto a través de estratificar materiales bidimensionales (2D), como el grafeno, MoSe₂, MoS₂,  y WSe₂, para crear un aislante de cuatro capas de solo 10 átomos de espesor. A pesar de su dimensión, el aislante es efectivo porque las vibraciones atómicas generan calor que se amortigua y se pierde gradualmente a través de cada capa. El nuevo material mostró una resistencia térmica superior a la de una capa de SiO₂100 veces más gruesa,  y una conductividad térmica efectiva más baja que la del aire a temperatura ambiente. En el largo plazo, estos metamateriales térmicos son un ejemplo del campo emergente de la fonónica y se podrían aplicar en aislamientos térmicos ultradelgados, en el aprovechamiento de la energía térmica o para redirigir el calor en geometrías ultracompactas.

            En el corto plazo, con escudos térmicos más delgados se podrán construir dispositivos electrónicos aún más compactos que los que tenemos hoy en día. 

Los resultados se publicaron recientemente en Science Advances.

Mas información en Nanotechnology News.

Visualización de efectos electrostáticos de compuerta en heteroestructuras bidimensionales

La física que describe los estados electrónicos en dispositivos de efecto de campo se entendería mejor con imágenes de los cambios de potencial, nivel de Fermi y estructura de bandas, como función del voltaje de compuerta. Un grupo internacional de investigadores realizó estudios de espectroscopía de fotoemisión con resolución angular a la escala micrométrica (microARPES, por sus siglas en inglés) en dispositivos de grafeno de dos terminales, y observaron un corrimiento en el nivel de Fermi sin detectar un cambio en la dispersión al aplicar el voltaje de compuerta. En los dispositivos semiconductores bidimensionales se observa la aparición del borde de la banda de conducción, al tiempo que los electrones se acumulan y definen su energía y el momentum en dicho borde. Los investigadores demostraron que la espectroscopía óptica y microARPES se pueden practicar en un solo dispositivo, por lo que se determina con certeza la relación entre las propiedades ópticas  y las electrónicas controladas por el voltaje de compuerta.

Esto constituye un nuevo enfoque experimental para estudiar aspectos fundamentales de la física de semiconductores y algunos fenómenos novedosos como las transiciones topológicas y reconstrucciones espectrales, bajo control del potencial eléctrico, relacionadas con las llamadas interacciones de muchos cuerpos.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature

Celdas de biocombustible nanoestructuradas y autoensambladas

En años recientes, se han desarrollado métodos de autoensamblado para la fabricación controlada de diversas estructuras en la nanoescala como, por ejemplo, las celdas de combustible. Sin embargo, a la fecha no se había reportado la construcción de una celda de biocombustible funcional a partir de materiales nanoestructurados y autoensamblados.

Un grupo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zürich, Suiza, desarrolló una celda de biocombustible que funciona mediante la acción de híbridos enzima-nanopartícula. Éstos constan de enzimas (oxidantes o reductoras) inmovilizadas sobre la superficie de nanopartículas magnéticas recubiertas de carbono (ccMNPs del inglés carbon-coated magnetic nanoparticles) de 25 nm de diámetro, previamente funcionalizadas con ligandos específicos que identifican cada uno de los electrodos. De esta manera, los híbridos se dirigen y se autoensamblan en la superficie de cada uno de los electrodos. Mediante la aplicación de un campo magnético se consigue la extracción de los híbridos y el desensamblado de la celda para añadir nuevos híbridos.   

En este trabajo se proponen diferentes enzimas y fuentes de energía con la finalidad de extender el tiempo de vida y probar diversas combinaciones de biocombustibles.

La investigación fue publicada recientemente en ACS NANO.

Para mayor información Phys.org

Recubrimientos refractarios de nanoagujas que absorben 99% de la luz solar

La generación de energía térmica a partir de la luz solar en plantas de energía solar, como las de potencia solar concentrada (CPS, del inglés concentrated solar power), requiere de la mayor absorción de luz posible en sus colectores. Para el recubrimiento de los colectores metálicos (generalmente fabricados de niquel o aleaciones de aluminio) se utilizan varios tipos de nanoestructuras, como los nanoalambres y los nanotubos. A pesar de su alto poder para capturar la luz, no se ha logrado que tales nanoestructuras mantengan su estabilidad en altas temperaturas debido al incremento en la rugosidad o la oxidación de los compuestos expuestos al aire. 

Un grupo de la Universidad de California desarrolló materiales nanoestructurados absorbentes de la luz solar basados en los óxidos Co₃O₄ y CuCo₂O₄, con estructura de espinelas, refractarios a altas temperaturas y que poseen ultra alta capacidad de absorción solar por encima del 99%. Sintetizaron películas de nanoagujas de tales compuestos sobre sustratos de aleaciones de níquel Haynes 230, mediante procesos hidrotermales de fácil escalado industrial. Además, estas nanoagujas se recubren con una capa delgada de HfO₂ o SiO₂ lo que conserva sus características morfológicas, su alta capacidad de absorción y una excelente estabilidad térmica a temperaturas elevadas durante un período prolongado. Las nanoagujas de CuCo₂O₄ recubiertas de SiO₂ mostraron una absorción del 99.3% después de 100 h a 800 °C. Estos materiales nanoestructurados absorbentes de la luz solar tienen gran potencial para ser utilizados en plantas de conversión de energía solar a térmica como las CPS.

Los resultados fueron publicados recientemente en APL Materials

Mas información en MRS Bulletin

Litografía de haz de electrones sobre compuestos congelados para nanofabricación 3D

La litografía por haz de electrones (EBL del inglés electron beam lithography) es una técnica de nanofabricación utilizada para producir patrones 2D de unos pocos nanómetros. Un grupo internacional de investigadores logró un avance importante al conseguir la nanofabricación 3D utilizando películas delgadas congeladas en sustitución de las tradicionales resinas empleadas en EBL para configurar las máscaras. Los investigadores utilizaron el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión y de barrido (STEM) para hacer la litografía sobre los sustratos preparados a 130K. Para procesos litográficos positivos o negativos fabricaron máscaras obtenidas de películas de agua ó compuestos orgánicos congelados, respectivamente, depositadas sobre los sustratos. La línea más delgada que obtuvieron fue de 5 nm, empleando películas de octano congelado. Así se pueden lograr nanoestructuras en áreas seleccionadas de superficies no planas. Esta investigación impulsará los estudios interdisciplinarios para fotónica 3D, electrónica y nanodispositivos 3D para biología y medicina.

Este trabajo fue publicado recientemente en Science Bulletin

Mas información en Nanotechnology News

Imágenes en la nanoescala con microscopía óptica de campo cercano libre de lentes

Imágenes en la nanoescala con microscopía óptica de campo cercano libre de lentes

La microscopía óptica convencional tiene el inconveniente de que los fenómenos de difracción limitan su resolución a algunos cientos de nanómetros, aproximadamente a la mitad de la longitud de onda de la luz que se utiliza para iluminar la muestra. Para superar ese límite, se construyeron los microscopios ópticos de barrido de campo cercano, (SNOM, por Scanning Near Field Optical Microscope). Un grupo de investigadores de Estados Unidos reportaron un nuevo diseño que incluye el nanoenfoque del haz incidente con el 50% del espectro de luz visible y utiliza un nanoalambre acoplado a la fibra óptica  como punta para el barrido del SNOM. A la vez colecta todo el espectro de la luz reflejada con resolución espacial nanométrica. Este nuevo dispositivo puede acoplarse con un microscopio electrónico de barrido de efecto túnel (STM por Scanning Tunneling Microscope), demostrando que puede lograrse una resolución de 1 nm, validado in situpor Espectroscopía Raman Amplificada en la Superficie (SERS, por Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Así, se correlaciona la información espectroscópica, la estructural y la generación de imágenes con resolución espacial muy competitiva con otras técnicas.

Esto fue publicado recientemente en Nature Photonics. 

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Nanocompositos de metal@órgano-metálicos para fototocatálisis

La fotocatálisis es una tecnología con potencial para convertir la energía solar en energía química. En los últimos años, hay un creciente interés en nuevos compuestos denominados núcleo-coraza en donde los núcleos consisten de nanopartículas (NPs) metálicas encerradas en cavidades de enrejados órgano-metálicos (MOFs por sus siglas en inglés). Un grupo de investigadores de China sintetizó este tipo de nanocompositos y lo aplicaron en la producción de hidrógeno y en la reducción de Cr(VI). Los efectos sinérgicos entre la coraza de MOF y el núcleo metálico desempeñan un papel importante en la fotocatálisis heterogénea.

Los resultados se publicaron recientemente en la revista Coordination Chemistry Reviews.

Nanomáquinas activadas con infrarrojo cercano para penetrar y destruir células

Con el objeto de evitar los daños colaterales que ocasiona la aplicación de luz ultravioleta (UV) que se emplea para la destrucción de células tumorales, un grupo de investigadores reportó nanomotores moleculares capaces de atravesar la membrana de estas células y de destruirlas sin afectar otros tejidos. 

Las nanomáquinas se dirigen a la superficie de células especificas por la adición de un péptido. En vez de activarlas con UV, las nanomáquinas moleculares se excitan con dos fotones en el infrarrojo cercano (NIR, por sus siglas en inglés) lo cual no afecta a las células sanas adyacentes. La eficacia del proceso se comprobó en un modelo sintético de membrana. Al excitarla, la nanomáquina fue capaz de atravesar la membrana. 

Los investigadores sugieren que estas nanomáquinas moleculares podrían ser eficientes para el tratamiento de cáncer de piel, de boca y gastrointestinal.

El trabajo de investigación fue publicado en ACS Nano.

Películas delgadas epitaxiales por centrifugado

La fabricación de dispositivos electrónicos y ópticos demanda películas delgadas epitaxiales por su menor cantidad de defectos puntuales y fronteras de grano donde se generan trampas para los portadores y causan su recombinación. El crecimiento epitaxial se logra con técnicas especializadas como el depósito químico de vapores o epitaxia de haces moleculares las cuales son muy caras y requieren de altas temperaturas y ultra-alto vacio.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Missouri de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos, han desarrollado una metodología para crecer películas delgadas epitaxiales de alta calidad empleando la técnica de recubrimiento por centrifugado (del inglés spin coating) la cual probaron con diferentes compuestos como el bromuro de plomo cesio (CsPbBr₃), el ioduro de plomo (PbI₂), cloruro de sodio (NaCl)  y el oxido de zinc (ZnO). Las películas se depositaron a partir de soluciones del compuesto o de sus precursores los cuales se convierten fácilmente en el producto final con solo productos secundarios volátiles.

Sus resultados demuestran que el recubrimiento por centrifugado ofrece una alternativa para crecer semiconductores altamente ordenados útiles para la electrónica flexible, pantallas y células solares.

El trabajo fue publicado en Science. 

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Fabricación de esferas huecas a base de nano-ZSM-22 con estructura jerárquica de nano y mesoporos

Se prepararon esferas huecas con estructura jerárquica de poros (nano y mesoporos) a base de zeolita tipo ZSM-22 mediante síntesis hidrotermal en dos etapas. En la primera etapa, se cristalizaron nanovarillas de ZSM-22 caracterizadas por sus nanoporos intracristalinos. En la segunda, asistiéndose con bromuro de cetil trimetil amonia (CTAB)  y floruro de potasio (KF) y reduciendo la temperatura de cristalización, las nanovarillas se autoensamblaron para producir esferas huecas con mesoporos intercristalinos. La formación autoensamblada de estas esferas huecas de ZSM-22 posiblemente se debe a la naturaleza y la gran área superficial de las fronteras de grano de las nanovarillas de ZSM-22 que permitió el acomodo isotrópico observado.

Los resultados se publicaron recientemente en Materials Letters.

La influencia de los defectos del sustrato hBN sobre la orientación de crecimiento del MoS2

La creación de materiales 2D para uso en la electrónica es un desafío que persiste por la dificultad de escalarlos a un tamaño útil como el de las obleas empleadas en la industria. Muchos de estos materiales 2D, al ser depositados epitaxialmente sobre sustratos polares, crecen inevitablemente en nanodominios con orientaciones opuestas. En particular, al depositar una capa de MoS₂ sobre un sustrato como el zafiro, por su estructura cristalina, el MoS₂ forma dominios triangulares que se orientan con la misma probabilidad en direcciones opuestas. Cuando los triángulos se encuentran, sus fronteras operan como defectos que reducen las propiedades electrónicas y ópticas del cristal. 

            

Empleando cálculos de primeros principios, investigadores de Penn State University, EUA, desarrollaron un método que permitirá mejorar la calidad de materiales 2D. Encontraron que si una monocapa de MoS₂ es crecida sobre una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN), los triángulos se orientan de manera preferencial, ya que los átomos de Mo se anclan en las vacancias del hBN. El control de la orientación de  las estructuras triangulares se verificó experimentalmente por microscopía electrónica de barrido y de transmisión con corrección de aberración. Las investigaciones en este campo continúan para lograr la síntesis escalable de semiconductores 2D.

Los resultados fueron publicados recientemente en Physical Review B

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Baterías con ánodo auto-pulido de litio metálico sobre nanofibras de carbono

En la fabricación de baterías que generen alta energía y que operen con larga duración, persiste el problema de estabilizar la estructura del ánodo metálico de litio de tal manera que se evite la formación de estructuras dendríticas. Esta falla se debe a procesos complejos que implican la degradación acelerada del ánodo por el agotamiento del electrolito y del litio metálico.

Investigadores de China y de EUA reportan la estructura de un ánodo compuesto de litio y nanofibras de carbono mesoporoso y un cátodo de óxido de cobalto-manganeso-niquel-litio con alto contenido de niquel. El diseño del ánodo, que posee la propiedad de auto-pulido, mejora la relación de las capacidades de carga entre los electrodos negativo y positivo así como la relación entre el peso del electrolito y la capacidad de carga. La alta estabilidad del ánodo se debe a que las nanofibras de carbono mesoporoso están funcionalizadas con aminas que evitan el crecimiento dendrítico durante el depósito de litio. 

La celda genera una densidad de energía de 350-380 Wh/kg1 y con estabilidad de hasta 200 ciclos. Este rendimiento cumple con las condiciones de operación que se requieren para baterías de litio recargables de alta energía.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Nature Nanotechnology.

Fabricación de nanocubos huecos de AuAg con superficie abierta en las esquinas para el transporte de nanomateriales

Las nanoestructuras huecas tienen el potencial de almacenar, transportar y liberar moléculas y nanopartículas, siempre que puedan sintetizarse con las características y funcionalidades apropiadas de la superficie. Tales nanoenvases son de gran interés para aplicaciones biomédicas, ópticas y catalíticas debido a sus propiedades fisicoquímicas únicas relacionadas con la geometría. Sin embargo, sigue siendo difícil controlar con precisión la forma del hueco y las aperturas en la superficie.

Atendiendo este reto, investigadores de Estados Unidos y China, desarrollaron una estrategia fácil de un solo paso para sintetizar nanoenvases de AuAg que consisten en nanocubos huecos con aperturas en las esquinas. Los nanoenvases se crearon a partir de nanocubos de plata sólida de 100 nm por lado con esquinas muy bien definidas. Los nanocubos de Ag se dispersaron en una solución de cloruro de cetilpiridinio, que evita la aglomeración y actúa como surfactante crucial para que las aperturas que se formen en el proceso se localicen en las esquinas del cubo hueco. 

Tres horas después de mezclarse a temperatura ambiente con ácido cloroaúrico (HAuCl₄), se logra, por una reacción de reemplazo galvánico, que un átomo de oro sustituya a tres átomos de plata. El producto final es una aleación de AuAg monocristalina de morfología cúbica formada por tres cintas que se envuelven ortogonalmente alrededor de un cubo virtual y que muestra aperturas en las esquinas.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista ACS Central Science

Mas información en MRS Bulletin

Temperatura crítica para la adsorción de H2 y CH4 en nanoporos de zeolitas

La naturaleza nanoporosa de los materiales zeolíticos, les permite ser empleados como excelentes adsorbentes de gases para su separación o almacenamiento. Un equipo de científicos mexicanos estudió el efecto de la forma catiónica de la erionita natural proveniente de Agua Prieta, Sonora, sobre la adsorción de H₂ y CH₄ en sus poros. Se investigaron muestras de erionita intercambiadas con iones de sodio, magnesio y calcio. Estos cationes ocupan lugares en posiciones estratégicas (ver figura), y contribuyen así al fenómeno de adsorción de gases. El tratamiento con cationes de Na⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ de las erionitas naturales y el cambio en la temperatura de adsorción permite regular la entrada de las moléculas de gas. La muestra de erionita intercambiada con CaCl2 mostró la mayor capacidad de adsorción para H₂ y CH₄ a la temperatura crítica de 420 K.

Los resultados se publicaron recientemente en la revista Nanomaterials.

Creación de nanocavidades de tamaño programable a partir de moléculas biológicas

Las nanocavidades son estructuras tridimensionales nanométricas con gran potencial de aplicación en el área biomédica. Para la construcción de este tipo de nanoestructuras se pueden utilizar moléculas tanto de enzimas como de DNA a manera de bloques tipo “Lego”. La nanocavidad se obtiene ajustando la longitud de las cadenas de DNA y la posición de los sitios químicamente activos de la enzima. 

Un grupo de investigadores de Estados Unidos reportó recientemente la creación de nanocavidades a partir de dos unidades de construcción: la primera consistió de un trímero de la enzima aldolasa funcionalizada con tres prolongaciones idénticas de DNA de cadena sencilla. La segunda unidad consistió de una estructura triangular de DNA. Ambas unidades se ensamblaron mediante enlaces de hidrógeno entre las secuencias complementarias de las prolongaciones y asas de la estructura triangular de DNA. De esta manera, generaron nanocavidades tetraédricas con seis aristas de DNA ensambladas con el trímero de enzima. Las dimensiones de las nanocavidades son controlables, dependiendo de la longitud de las cadenas de DNA (entre 10 - 14 nm).

Con este enfoque se podrán construir nanomateriales con propiedades específicas asociadas a las enzimas seleccionadas o al DNA y con potencial para posibles aplicaciones en campos como la entrega controlada de fármacos, la biología estructural y  biocatalizadores. 

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista NANO de la American Chemical Society.

Mas información en Nanotechnology News.

Superredes de Moiré en la heteroestructura hBN/grafeno/hBN.

La alineación rotacional específica de capas bidimensionales de grafeno y nitruro de boro da como resultado superredes de patrones de Moiré cuyo período es mayor que el de las capas bidimensionales originales y permite diseñar la estructura de las bandas electrónicas de dichos materiales. Hasta el momento, se han reportado las propiedades de transporte de estas superredes tanto para grafeno/hBN como para  grafeno/grafeno. 

Un grupo internacional de científicos estudió las  superredes de patrones  de Moiré del grafeno colocado entre dos capas de nitruro de boro (hBN). En el grafeno, se forman dos superredes  de Moiré diferentes, una con la capa superior de hBN y la otra con la capa inferior de hBN. La superposición de las dos superredes da como resultado una tercera superred con un período mayor que el período máximo (14 nm) en el sistema de grafeno/hBN. Este nuevo tipo de ingeniería de estructura de bandas permite crear materiales bidimensionales con un espectro aún más amplio de propiedades electrónicas y aumenta el potencial para la síntesis de nuevos materiales.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nano Letters.

Mas información en Nanotechnology News.