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

 

Más información en Nanotechnology News

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