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