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