domingo, 26 de diciembre de 2021

La ingeniería de defectos orientada a lograr termoeléctricos de alto rendimiento.

 


Los materiales termoeléctricos pueden convertir el calor en electricidad de forma reversible. Para su mayor rendimiento requieren poseer alta conductividad eléctrica, alto valor del coeficiente de Seebeck y una baja conductividad térmica. La optimización de estas propiedades fuertemente interrelacionadas implica ajustar la estructura electrónica, los mecanismos de conducción eléctrica y de dispersión fonónica. Entre los materiales termoeléctricos, el SnSe es uno de los más prometedores debido a su extraordinario rendimiento en forma monocristalina. 

 

Sin embargo, el alto costo y la escasa producción de monocristales, junto con sus pobres propiedades mecánicas, limitan el uso del SnSe en dispositivos termoeléctricos a gran escala. Una posible solución es obtenerlo en forma policristalina, pero su rendimiento disminuye debido a la oxidación que conduce a conductividades térmicas más altas, pérdida parcial de anisotropía que disminuye la conductividad eléctrica y un control impreciso del nivel de dopaje.

 

Un grupo de investigadores de Austria, Alemania y España, optimizaron el rendimiento termoeléctrico del SnSe policristalino producido mediante prensado en caliente de nanopartículas de SnSe procesadas en solución, cuyas superficies fueron acondicionadas. Las partículas de SnSe se recubrieron con complejos moleculares de CdSe que cristalizaron durante el proceso de sinterización, formando nanopartículas de CdSe. La presencia de nanopartículas de CdSe inhibió el crecimiento de los granos de SnSe debido al anclaje tipo Zener que genera fronteras de grano de alta densidad. Los nanocompositos SnSe-CdSe resultantes presentaron una gran cantidad de defectos a diferentes escalas de longitud que reducen significativamente la conductividad térmica. Los nanocompositos de SnSe-CdSe exhibieron respuestas termoeléctricas entre las más altas reportadas para el SnSe procesado en solución.

 

La estrategia propuesta, además de mejorar el rendimiento termoeléctrico con la inhibición del crecimiento de granos, es de gran importancia para el desarrollo de nanocompositos semiconductores.

 

Los resultados fueron publicados en la revista ACS Nano

lunes, 13 de diciembre de 2021

Materiales naturales con funciones programables obtenidos a partir de cocultivos de microbios modificados

 


El reciente campo  denominado ingeniería de materiales vivos (ELM, por sus siglas del inglés engineered living material) tiene como objetivo ensamblar las propiedades de materiales vivos biológicos, compuestos por células, con otros materiales de origen natural o sintético.

 

Un equipo internacional de científicos creó un ELM a partir de un cocultivo simbiótico estable de la levadura Saccharomyces cerevisiae y la bacteria Komagataeibacter rhaeticus con el objeto de producir el biomaterial celulosa bacteriana. Este cocultivo es prometedor debido a sus altas tasas de producción de celulosa extracelular que alcanzan > 10 g por L creciendo en un medio de azúcar simple y económico. Forma una gruesa película flotante de celulosa bacteriana que consiste en una densa red de fibrillas de celulosa en forma de cintas, cada una de ~ 50 nm de ancho y de hasta 9 μm de largo, firmemente unidas por fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno.

 

La naturaleza ultrapura y la alta cristalinidad de esta celulosa bacteriana proporcionan excelentes propiedades mecánicas, con nanofibras individuales que se estima que tienen una resistencia a la tracción de al menos 2 GPa y un módulo de Young de ~ 138 GPa. La celulosa tiene una alta porosidad, alta capacidad de retención de agua y una superficie muy grande (> 1000 cm2). Es biodegradable y biocompatible y se puede producir a gran escala con equipo mínimo y es de bajo costo e impacto ambiental.

 

Los ELM que producen celulosa bacteriana han atraído interés por su aplicación en el área biomédica para la producción de apósitos quirúrgicos y para heridas, andamios para la ingeniería de tejidos (por ejemplo, como apósitos para el tratamiento de quemaduras y úlceras), así como para la producción de diafragmas acústicos para auriculares y altavoces, separadores de baterías, aditivos cosméticos, y otros.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Materials

martes, 30 de noviembre de 2021

Compositos de perovskitas de haluros de plomo y vidrio para la fabricación de LEDS de luz blanca


 

En la investigación para aplicaciones en optoelectrónica de materiales que ofrezcan ventajas sobre aquellos basados en silicio o en compuestos semiconductores binarios con elementos de la tabla periódica de las columnas II-VI, III-V y IV-VI, se encontró que las perovskitas de haluros de plomo poseen bandas prohibidas sintonizables, alta movilidad de portadores de carga y que pueden exhibir fotoluminiscencia en una banda de emisión estrecha y brillante. Sin embargo, sus aplicaciones se ven limitadas por problemas de polimorfismo, segregación de fases, degradación por solventes polares, y lixiviación de plomo.

 

Un grupo internacional de investigadores demostró que la fase fotoactiva de la perovskita de yoduro de cesio y plomo (CsPbI3), conocida como fase negra, se logra estabilizar en el interior de una matriz microporosa de fase vítrea organometálica obtenida del fundido y enfriamiento criogénico de un enrejado zeolítico nanoestructurado de imidazolato conocido como ZIF (por sus siglas del inglés zeolitic imidazolate framework), con las propiedades fisicoquímicas adecuadas de porosidad, reactividad, rigidez mecánica, ductilidad y respuesta óptica. El método utilizado para formar los compositos CsPbI3-ZIF fue la sinterización en fase líquida.

 

Los compositos mostraron una alta estabilidad frente a la inmersión en agua, manteniendo 80% de fotoluminiscencia durante 10 000 horas de inmersión, así como a disolventes orgánicos, a la exposición al calor, la luz, el aire y la humedad ambiental. Por su parte, el vidrio estabiliza la perovskita bajo alta excitación láser. Las perovskitas embebidas ofrecen una amplia gama de colores que permitirá la fabricación de LEDs de luz blanca y fabricación de pantallas de vidrio menos propensas a agrietarse y mejor calidad en la nitidez de las imágenes.

 

Los resultados fueron publicados en Science

lunes, 22 de noviembre de 2021

Efectos citotóxicos asociados al tamaño de NPs de ZnO en células intestinales


 

Las nanopartículas de óxido de zinc (NPs de ZnO) se usan frecuentemente en la industria del envasado de alimentos y como aditivos alimentarios, de tal forma que su ingestión favorece su absorción en el tracto gastrointestinal. En consecuencia, es crucial determinar la bioseguridad del uso de las NPs de  ZnO en productos de consumo alimenticio.  

 

Por esta razón, investigadores de Alemania estudiaron el efecto en la viabilidad de células de colon CaCo-2 y LT97 expuestas a concentraciones de 12 a 1229 µmol/L de NPs de  ZnO   de dos tamaños distintos:  <50 nm y <100 nm.  Demostraron que la internalización de ambos tipos de NPs de ZnO en las células de colon, ocasiona muerte celular por apoptosis dependiente del tiempo de exposición (24 a 72 h) y de las concentraciones de NPs utilizadas, siendo las más tóxicas entre 614 a 1229 µmol/L de NPs. El tamaño de las NPs de ZnO fue determinante para ocasionar cambios en el ciclo celular de las células LT97; las NPs de tamaño <100 nm fueron las más tóxicas; sin embargo, las NPs de ZnO de tamaño <50 nm indujeron un considerable daño en el ADN, detectado por la formación de micronúcleos. El efecto tóxico más evidente se produjo en las células LT96, aunque en las CaCo-2 se encontraron cambios morfológicos asociados al estrés celular y a la citotoxicidad. Estos resultados evidencian la importancia de estudiar la toxicidad potencial de las NPs de ZnO después de la exposición oral, sobre todo considerando su potencial uso en productos alimentarios de consumo comercial.


Estos resultados fueron publicados en la revista Toxics

 


jueves, 18 de noviembre de 2021

Síntesis de catalizadores monoatómicos con alta carga metálica utilizando puntos cuánticos de grafeno


 

Los catalizadores monoatómicos presentan una actividad extraordinaria por átomo de metal. Sin embargo, la densidad de átomos metálicos es muy baja, usualmente menor al 5% en peso o 1% atómico, lo que limita su rendimiento catalítico.

 

En este trabajo, un grupo internacional de investigadores reportó un método general para la síntesis de catalizadores metálicos monoatómicos, con cargas de metales de transición de hasta 40% en peso o 3.8% atómico, que mejoraron varias veces los porcentajes de actividad reportados en la literatura. El método consiste en intercalar puntos cuánticos de grafeno funcionalizados con grupos amina (NH2) en una matriz de carbono utilizada como soporte. Los puntos cuánticos proporcionan sitios para anclar a los átomos de metales de transición con una densidad suficientemente alta, pero con suficiente espacio entre ellos para evitar su agregación y la formación de cúmulos o nanopartículas.

 

El método se probó para la dispersión de átomos de Ir, Pt y Ni. Además, se probó en la reacción de reducción electroquímica de CO2, con átomos de Ni como catalizadores monoatómicos. Se comparó el rendimiento de dos catalizadores de Ni sintetizados con cargas metálicas de 7.6% y 15% en peso. Ambos presentaron una selectividad de hasta 90% pero con muy diferente actividad. El catalizador con la más alta carga metálica (15% en peso) presentó una actividad 2.5 veces mayor que aquel con 7.5% de peso. Para demostrar las altas cargas y la ausencia de cúmulos o nanopartículas en los catalizadores, los investigadores emplearon diversas técnicas analíticas de caracterización.

 

Con este enfoque se espera reducir significativamente el costo de catalizadores de metales nobles como Au, Pt y Pd.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Chemestry

miércoles, 17 de noviembre de 2021

Ferroeléctricos moleculares energéticos accionados químicamente


 

Los materiales energéticos son aquellos que almacenan energía química que luego se puede liberar en condiciones apropiadas. La energía química se encuentra almacenada en los enlaces covalentes que unen a los átomos de las moléculas. Los cristales moleculares energéticos almacenan gran cantidad de energía en sus enlaces C–N, N–N y N–O.  Sus fuertes interacciones de acoplamiento entre electrones y fonones prometen una alta densidad de energía a través de ondas térmicas. Asimismo, la ruptura de la simetría en los cristales moleculares induce la polarización espontánea, permitiendo al diseño de ferroeléctricos moleculares.

 

Para integrar ambos fenómenos, un grupo de investigadores  norteamericanos diseñó ferroeléctricos moleculares energéticos empleando tres parámetros de diseño: i. alta temperatura de Curie: ii. poseer simultáneamente alta densidad de energía en los enlaces químicos y una alta tasa de liberación de energía; y iii. un coeficiente piroeléctrico grande para una potencia específica alta. Por sus enlaces energéticos y alto rendimiento ferroeléctrico seleccionaron el cristal  perclorato de imidazol, constituido por un arreglo no-centrosimétrico del catión imidazol (C3H5N2+) como ión energético y el anión perclorato (ClO4) como oxidante Encontraron que tales cristales ferroeléctricos moleculares convierten la energía de onda térmica con una potencia específica de 1.8 kW kg–1 y se estima que la velocidad de detonación es de 7.20 ± 0.27 km s−1, comparable al trinitrotolueno y al hexanitroestilbeno.

 

El estudio revela que la generación de energía accionada químicamente es el resultado del fuerte acoplamiento entre las ondas térmicas y de choque de la descomposición del compuesto energético y el efecto piroeléctrico (interacción electrón-fonón) que posibilita una rápida liberación de energía eléctrica. Estos hallazgos pueden ser empleados en aplicaciones tecnológicas emergentes como fuentes de energía a pedido, la propulsión o en baterías térmicas.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications

 

Más información en Nano Werck

miércoles, 3 de noviembre de 2021

Una tumba romana de hace 2050 años proporciona información acerca de la resistencia del concreto antiguo


 

Un estudio del antiguo concreto romano que ha sobrevivido más de 2000 años que se encuentra en la estructura de la tumba de Caecilia Metella ha despertado la curiosidad de los científicos, y los resultados obtenidos inspiran la creación de estructuras fuertes y estables con materiales modernos.

 

Un equipo de científicos utilizó micro-difracción de rayos X y espectroscopia Raman para estudiar la estructura del concreto utilizado durante el Imperio Romano. En particular, la micro-difracción de rayos X ha hecho posible analizar materiales hasta su estructura atómica. Resultó, en esta caso, que el concreto adquirió una naturaleza nanocristalina. El área en donde el concreto se une a los materiales que conecta (piedras, ladrillos) se volvió crítica para la resistencia del edificio. 

 

En el  concreto moderno, las reacciones químicas entre los componentes alcalinos y la sílice (en la composición de la arena) crean geles que se expanden y, por lo tanto, destruyen la estructura. En contraste,  en el  antiguo concreto romano, estas mismas reacciones llevaron a la aparición de estructuras nanocristalinas (sin cambio de volumen, pero con cambio de estructura), que incluso aumentaron su resistencia. Al mismo tiempo, el proceso de cambio continúa, es decir, la estructura se endurece ligeramente  a lo largo del tiempo, lo que le permite resistir fuerzas externas de destrucción, contrario a lo que sucede con el concreto  moderno.

 

Los científicos creen que la durabilidad inusual de las paredes de la tumba de Cecilia Metella se logró mediante  la combinación de dos factores. Primero, los constructores romanos abandonaron la arena como agregado y eligieron tefra (piroclasto), un material rico  en leucita.  En segundo lugar, la tumba se construyó en un lugar con un alto nivel de precipitación y agua subterránea. Esto último dio lugar a una constante reestructuración y "autorreparación" del material de construcción.

 

Según los autores del trabajo, su descubrimiento se puede utilizar para crear un concreto moderno que tenga las mismas cualidades del  antiguo concreto romano. Esto puede resultar especialmente útil en estructuras hidráulicas como presas.

 

Los resultados se publicaron en Journal of the American Ceramic Society

jueves, 21 de octubre de 2021

Las nanopartículas de bismuto alteran la diferenciación del tejido adiposo


 

Las nanopartículas a base de bismuto (BiNPs) presentan actividad antimicrobiana y propiedades luminiscentes que han atraído la atención para su uso en la biomedicina. Aunque en la actualidad aún no hay productos farmacéuticos que las contengan, se desconocen los   efectos potenciales de la bioacumulación de las BiNPs en las células.

 

Investigadores de Brasil utilizaron células madre mesenquimales (células madre que tienen la capacidad de diferenciarse y formar distintos tipos celulares) derivadas del tejido adiposo humano para evaluar el efecto que las BiNPs de 5-10 nm   sobre la viabilidad y la morfología celular y la función mitocondrial. Encontraron que, en concentraciones superiores a los 345 μg/mL, las BiNPs afectaron la viabilidad y la morfología celular . Por otro lado, en concentraciones menores a 302.24 μg/mL, indujeron un incremento en la proliferación de las células mesenquimales del tejido adiposo, y modificaron el potencial de membrana de la mitocondria. 

 

Las BiNPs en concentraciones de 20.12 a 93.02 μg/mL redujeron la capacidad de las células mesenquimales para diferenciarse en adipocitos, ocasionando  una disminución en la actividad de los genes PPARγ, C / EPBɑ y FABP4,  relacionados con la acumulación de lípidos y la adipogénesis.  Estos resultados indican que, aunque la exposición a las BiNPs no altera la viabilidad de las células, los procesos fisiológicos y bioquímicos asociados a la diferenciación de los adipocitos sí son afectados de forma negativa. Asimismo, se demostró que la diferenciación adipogénica es un parámetro más sensible que los ensayos de viabilidad celular para identificar el daño temprano causado por las NPs a las células madre mesenquimales de tejido adiposo.

 

El artículo se publicó en Toxicology In Vitro 2021

sábado, 16 de octubre de 2021

Heteroestructura de Al-Ge-Al en un nanoalambre: clave en la electrónica cuántica


 

La creación de dispositivos híbridos en los que se acoplan dos sistemas bien establecidos -un circuito superconductor y un punto cuántico- constituye un nuevo y promisorio campo de estudio. Estas uniones híbridas ya se han reportado en una amplia variedad de materiales y arquitecturas. Recientemente, el interés se ha centrado en nanoestructuras de germanio (Ge), debido a sus excepcionales propiedades y su adaptabilidad a los procesos de manufactura de dispositivos semiconductores. 

 

Investigadores Francia y Austria desarrollaron un proceso de fabricación en el que utilizaron heteroestructuras de Al-Ge-Al, que consisten en Al monocristalino e interfaces abruptas metal-semiconductor, para producir nanoalambres. El objetivo fue sondear el transporte electrónico a baja temperatura en puntos cuánticos de Ge intrínseco (iGe). 

 

Demostraron la capacidad de sintonizar un punto cuántico de Ge desde un régimen completamente aislante, a uno en el que el punto cuántico conduce mediante la ocupación de un solo hueco, y finalmente a un régimen de supercorriente que se asemeja a un transistor de efecto de campo de Josephson con una corriente crítica máxima de 10 nA a una temperatura de 390 mK.

 

Esta estructura muestra efectos únicos que son particularmente evidentes a bajas temperaturas. El aluminio se vuelve superconductor; pero no solo eso: esta propiedad también se transfiere al semiconductor de germanio adyacente y se puede controlar con campos eléctricos. Esto lo hace adecuado para aplicaciones complejas en tecnología cuántica. Una ventaja particular es que, al utilizar este enfoque, no es necesario desarrollar tecnologías completamente nuevas. En cambio, se pueden utilizar técnicas maduras y bien establecidas de fabricación de semiconductores  para habilitar la electrónica cuántica basada en germanio. 

 

Los resultados se han publicado recientemente en  Advanced Materials.

 

Mas información en Nanotecnology News

sábado, 9 de octubre de 2021

Crecimiento de monocapas de grafeno, monocristalinas, de área grande y libre de dobleces


 

Para producir grafeno de alta calidad y escalable a grandes áreas, la ruta de síntesis más promisoria es el método de descomposición química en fase vapor (CVD, por sus siglas en inglés). Las películas así obtenidas, sin embargo, contienen algunas imperfecciones como fronteras de grano, regiones con capas sobrepuestas y pequeñas ondulaciones con alturas menores a 1.5 nm,  o dobleces con alturas que van de decenas a centenas de nanómetros, que degradan el rendimiento de las aplicaciones del grafeno. Estos defectos se generan durante el proceso de enfriamiento, desde 1350 K hasta la temperatura ambiente, por los esfuerzos de compresión interfaciales debido a las diferencias de los coeficientes de expansión térmica entre el sustrato y el grafeno. A pesar de su importancia, el mecanismo de formación de los dobleces no se había estudiado y por lo tanto, no se entendía cómo se forman. Por esta razón, no se había producido grafeno libre de dobleces.

 

En este trabajo, un grupo de investigadores de la Republica de Corea del Sur y de Singapur reportaron un nuevo método de bajo costo para producir grafeno sobre láminas metálicas de Cu-Ni(111) monocristalinas. El método es fácilmente escalable a grandes áreas. El grafeno se produce por CVD en sistemas para producción masiva. La temperatura de crecimiento se mantuvo más baja que la reportada previamente, entre 1000 K y 1030 K. La calidad de las películas obtenidas se determinó en función de las bandas D y G en el espectro Raman, sensibles a los esfuerzos  interfaciales entre el grafeno y la película, asi como por miscroscopía electrónica de transmisión (TEM).

 

Para mayores detalles consultar la revista Nature

viernes, 1 de octubre de 2021

Catalizadores monoatómicos de platino anclados en nanocristales de CsPbBr3


 

Las perovskitas de haluro de plomo se han considerado materiales promisorios debido a sus excelentes propiedades fotoactivas y sus aplicaciones en diversos campos como celdas solares, diodos emisores de luz y fotodetectores. En particular, los nanocristales (NC) de haluro de plomo, de fórmula CsPbX3 (X = Br, I ) son prometedores en fotocatálisis, más cuando se combinan con átomos individuales de metal. Sin embargo, estos nanocompositos aún no se han logrado sintetizar experimentalmente, principalmente debido a la débil interacción entre el átomo de metal y la superficie de CsPbX3.

 

En este trabajo, un grupo de investigadores de China y Canadá demostró mediante un método fotoasistido que es posible depositar  átomos individuales de Pt en los NC de CsPbBr3. Primero se oxida parcialmente la superficie y posteriormente se anclan los átomos individuales de Pt por medio de enlaces Pt-O y Pt-Br.  Empleando la teoría del funcional de la densidad (DFT, del inglés density functional theory), los investigadores encontraron que el depósito de átomos individuales de Pt cambia significativamente las propiedades fotoactivas de los NC de CsPbBr3 al inducir la generación de estados de trampa profundos en la banda prohibida, lo que da como resultado una separación rápida de pares electrón-hueco fotogenerados. Debido a la rápida transferencia de los portadores desde el CsPbBr3 excitado a los átomos individuales de Pt, el nanocomposito Pt/CsPbBr3 exhibe una alta actividad en la semi-hidrogenación fotocatalítica de propino (CH3C≡CH).

 

Los NCs de CsPbBr3 pueden ser un sustrato adecuado para anclar otros átomos individuales de metal, como Cu, Au, Ag, Pd, etc.

 

Este trabajo fue publicado en ACS Nano

lunes, 27 de septiembre de 2021

Electrodos y cables de carbono para prendas de vestir electrónicas


 

Actualmente, los accesorios electrónicos portátiles inteligentes, como los relojes o los anteojos, están muy desarrollados. Por el contrario, el progreso en los textiles electrónicos ha sido lento debido a la dificultad de integrar materiales electrónicos rígidos a los tejidos flexibles. Las prendas de vestir electrónicas requieren fibras conductoras, duraderas, biocompatibles y que se puedan producir a gran escala. 

 

Un equipo de científicos estadounidenses ha creado electrodos y cables lavables, a manera de hilos, que se cosen a las prendas de vestir y transmiten señales a partir de filamentos de nanotubos de carbono puro (CNTT). Estos hilos son suaves como los hilos de coser estándar, pero tienen una conductividad similar al metal y una baja resistencia en la interface con la piel. Los electrocardiogramas (ECG) obtenidos con electrodos CNTT fueron comparables con las señales obtenidas con electrodos convencionales. Los cables de CNTT también se pueden utilizar  para transmitir señales a otras partes de la vestimenta. Finalmente, los textiles se pueden lavar a máquina y estirar muchas veces sin degradar la calidad de la señal. 

 

Estos resultados demuestran la promesa de los textiles sensores y los tejidos electrónicos, con una sensación de prenda de vestir estándar, que se pueden combinar con las técnicas tradicionales de fabricación de prendas.

 

Este estudio se publicó recientemente en Nano Letters

martes, 21 de septiembre de 2021

Nano "cámara" para seguir en tiempo real las reacciones químicas


 

Hasta ahora, no se había podido observar en tiempo real lo que sucede durante una reacción química, sólo era posible medir los productos finales del proceso.

 

Un grupo de investigadores de la Universidad de Cambridge fabricó una nano “cámara” que consiste en dos tipos de nanocristales (NCs) (o puntos cuánticos), donde el ensamblaje autolimitante de un componente NC controla la agregación del otro. Esta estrategia utiliza NCs  de InP / ZnS (3 nm) como moduladores de ensamblaje efectivos y de NCs de Au activada por moléculas cíclicas del tipo =C4H2N4O2= llamadas cucurbit[n]uril donde n es el número de estas moléculas de entre 5 y 60 nm, las cuales funcionan como pegamento de los NCs. Cuando estos elementos se combinan en agua con la molécula bajo estudio,  se forman rápidamente (en segundos)   agregados híbridos coloidalmente estables y los convierte en una herramienta poderosa que permite el monitoreo en tiempo real de reacciones químicas.

 

Al incidir luz, los ensamblajes resultantes  la colectan de manera eficiente dentro de las subestructuras de semiconductores, induciendo procesos de transferencia de electrones fuera de equilibrio, como en la fotosíntesis, que ahora se pueden monitorear con las NPs de Au que funcionan como sensores en tiempo real  aplicando espectroscopía Raman.

 

Pudieron usar la cámara para observar especies químicas que habían sido previamente  predichas teóricamente pero no observadas directamente.

 

La plataforma podría usarse para estudiar una amplia gama de moléculas para una variedad de aplicaciones potenciales  en fotocatálisis y  técnicas fotovoltaicas para la generación de energías renovables. 

 

Los resultados se publican en la revista Nature Nanotechnology.

 

Más información en Cambridge News

viernes, 10 de septiembre de 2021

Papeles plasmónicos para el cultivo celular y la detección de biomoléculas


 

El papel es un material que posee propiedades como  biocompatibilidad, porosidad, hidrofobicidad, resistencia mecánica, bajo costo y facilidad de producción a gran escala. Asimismo, su estructura se asemeja al microambiente celular. Por esto, el papel resulta ser una alternativa atractiva para generar modelos tridimensionales de cultivos celulares que imiten con precisión la arquitectura del tejido in vivo

 

Un grupo de investigadores de México, España y Alemania revisó la importancia de integrar nanomateriales plasmónicos, por ejemplo nanopartículas de Au, dentro de la estructura fibrosa del papel, para generar sustratos o papeles plasmónicos ideales como soporte y que simultáneamente funcionan como biosensores para la detección de señales fisicoquímicas producidas por las células cultivadas sobre ellos.

 

Los papeles plasmónicos junto con la espectroscopía de dispersión Raman  amplificada por la  superficie (SERS), constituyen una poderosa plataforma para detectar las señales químicas producidas por las células  bajo distintas condiciones del cultivo celular. Este tipo de papeles, aunados a la tecnología SERS,  son capaces de detectar metabolitos de muy baja producción durante el cultivo celular, como enzimas, factores de crecimiento, citocinas, aminoácidos, oxígeno y  especies de oxígeno altamente reactivas, entre otros. 

 

Por la misma razón, los papeles plasmónicos combinados con la SERS representan actualmente una herramienta crucial para la detección fácil y de bajo costo de enfermedades crónicas y metabólicas.

 

Los resultados fueron publicados en Materials Today Bio

domingo, 5 de septiembre de 2021

La pticografía electrónica logra resolución atómica, limitada solo por las vibraciones de la red


 

La microscopía electrónica de transmisión (TEM por sus siglas en inglés) juega un papel destacado en muchos campos de la ciencia como la física, la química, la biología estructural y la ciencia de los materiales. La calidad de las imágenes que se obtienen ha mejorado considerablemente por los avances en la óptica para la corrección de aberraciones, y la resolución espacial puede alcanzar el nivel de 50pm.

 

La pticografía es otro enfoque que consiste en tomar una serie de patrones de difracción barriendo diferentes puntos de la muestra con un haz de electrones de dimensiones muy pequeñas. En el caso de muestras ultra-delgadas como los materiales 2D, se ha logrado una resolución de hasta 3.9pm, lo que equivale a  2.5 veces el límite de difracción de las lentes. Para muestras más gruesas se ha intentado la pticografía de secciones múltiples (rebanadas) que representen a la muestra, pero solo se ha intentado en contadas ocasiones para probar el principio de la técnica.

 

En este trabajo, investigadores de Estados Unidos, Suiza y Alemania, demostraron experimentalmente que la pticografía electrónica multiseccional puede reconstruir imágenes al recuperar la respuesta lineal de la fase en función del grosor de la muestra y lograr así una resolución lateral igual al tamaño atómico intrínseco, limitado solo por las fluctuaciones térmicas.

 

Para las simulaciones y los datos experimentales se utilizaron muestras de PrScO3. En muestras de hasta 30nm de espesor, lograron observar la separación de dímeros Pr-Pr de 59pm, con una desviación estándar de 0.7pm y una resolución de 16pm.

 

Con esta técnica, combinada con la tomografía, es posible localizar dopantes específicos, individuales o en cúmulos, en las 3 dimensiones, con una resolución mayor al doble de los enfoques convencionales.

 

Los resultados fueron publicados reciente en la revista Science.

lunes, 30 de agosto de 2021

Nanotubos jerárquicos de MoS2 a partir de óxidos de NiMo en bulto para hidrodesulfuración


 

El disulfuro de molibdeno (MoS2) tiene una estructura hexagonal a capas, en la que cada átomo de Mo está en coordinación prismática trigonal con 6 átomos de S, de modo que cada capa de Mo queda enlazada a dos capas de S formando monocapas de MoS2 que a su vez se unen entre sí por enlaces de tipo van der Walls. Los métodos de síntesis reportados incluyen precursores costosos, múltiples etapas y altas temperaturas.

 

Investigadores del CNyN-UNAM desarrollaron un método de síntesis sencillo, de baja temperatura y libre de semillas para obtener nanotubos de MoS2 mediante la sulfuración de polvos de óxido de NiMo. Obtuvieron diferentes tipos de nanotubos dependiendo del método de sulfuración. Usando procesos “ex–situ” a baja presión  detectaron el crecimiento de nanotubos multipared de MoS2 rellenos de Ni (mwnt-MoS2/Ni), mientras que el protocolo de sulfuración in-situ a alta presión (como sería en la refinería) llevó a la obtención por auto-ensamblado de estructuras jerárquicas constituidas por nano-bloques hexagonales de MoS2 incrustados verticalmente en las paredes de nanotubos multipared de MoS2 rellenos de Ni, llamados nanotubos de MoS2jerárquicos (hnt-MoS2/Ni).

 

Los resultados de la evaluación catalítica revelaron que los catalizadores mwnt-MoS2/Ni y hnt-MoS2/Ni exhiben una velocidad de reacción inicial de 24×10-8 y 105×10-8 molDBT.(gCat.s)-1, respectivamente; es decir, 4 veces mayor actividad para el catalizador hnt-MoS2/Ni obtenido por la sulfuración in-situ.

 

Los resultados fueron publicados en Applied Catalysis B: Envirionmental

lunes, 23 de agosto de 2021

Nanobarras fotoactivas de alta eficiencia con campos eléctricos internos mediados por intercambio aniónico



En la síntesis de compuestos orgánicos mediante fotocatálisis, la separación de pares electrón-hueco en el interior de los catalizadores semiconductores y la subsiguiente transferencia de los portadores, permiten la generación de especies de oxígeno altamente activas (ROS, por sus siglas del inglés reactive oxygen species) que participan en diversas reacciones orgánicas.

 

Una estrategia ampliamente acogida para aumentar la eficiencia de la separación de portadores es construir materiales compuestos con heterouniones, en los que se espera que el campo eléctrico interno (IEF) resultante de las estructuras de bandas en la interfaz, facilite la separación y migración de los portadores.

 

Un grupo de investigación internacional, diseñó teóricamente y sintetizó nanobarras monocristalinas de oxihidróxido de bismuto con estructura de la sillenita. Cada nanobarra está compuesta por capas alternas de cationes de [Bi2O2]2+ y de contraraniones OH– apiladas concéntricamente mediante interacciones tipo van der Walls, y presenta canales abiertos expuestos en la superficie. Entre las capas vecinas [Bi2O2]2+ y aniónica existe un IEF perpendicular a las capas, que podría facilitar la separación del portador. Además, el IEF también es perpendicular a la normal de las facetas expuestas, por lo que acorta la ruta de migración de los fotoportadores, favoreciendo el transporte y la separación de cargas. Encontraron  que el IEF puede ser regulado eficazmente mediante la introducción de una baja concentración de aniones haluro que reemplazan los iones OH–. Demostraron que una relación de intercambio baja (~ 10%) con aniones haluro (I–, Br–, Cl–) da lugar a un aumento prominente en la eficiencia de separación de portadores y un mejor desempeño fotocatalítico para la oxidación del acoplamiento de bencilamina. Este trabajo ofrece nuevos conocimientos sobre el diseño y la optimización de fotocatalizadores de semiconductores.

 

Los resultados se publicaron recientemente en Nature Communications

lunes, 16 de agosto de 2021

Una capa de óxido de grafeno protege al silicio de la oxidación


 

La presencia de una capa natural de óxido de silicio (SiOx) sobre la superficie del silicio (Si) ha sido un obstáculo para la tecnología de semiconductores y electrónica. Esta capa aislante es un factor operativo limitante, que bloquea la transferencia de carga y, por lo tanto, las señales eléctricas para una variedad de aplicaciones. La eliminación de la capa de SiOx con soluciones de fluoruro deja una superficie de Si – H reactiva que, en condiciones ambientales, solo es estable durante pocas horas antes de que comience a reoxidarse. 

 

Investigadores de Australia descubrieron que una sola capa de óxido de grafeno (GOx) sobre el silicio forma una barrera impermeable que evita que las superficies de Si se oxiden en condiciones ambientales durante más de 30 días. Muestran que la capa protectora de GOx se puede modificar con moléculas que permiten una superficie funcional que favorece una mayor conjugación química o conexiones con los electrodos superiores, al tiempo que conserva no oxidado al Si cubierto. Además, la capa de GOx se puede cambiar electroquímicamente a óxido de grafeno reducido, lo que permite el desarrollo de un material dinámico para tecnologías de electrónica molecular. Estos hallazgos demuestran que los materiales 2D como el GOx, pueden sustituir a las monocapas orgánicas autoensambladas que se utilizan típicamente para proteger y ajustar las propiedades del Si, y abren un campo de posibilidades que combinan las tecnologías del Si y los materiales 2D.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en ACS Applied Materials & Interfaces

martes, 10 de agosto de 2021

Destino a largo plazo de las partículas magnéticas en ratones: un estudio integral


 

La formación de imágenes por partículas magnéticas es una técnica tomográfica emergente que produce imágenes de alta resolución y alta sensibilidad en tiempo real. Las partículas de óxido de hierro superparamagnéticas permiten la obtención de imágenes oncológicas, de inflamación y de trauma. El uso seguro de nanopartículas en medicina requiere un conocimiento completo de su farmacocinética, incluido el catabolismo de las partículas en el cuerpo.

 

Científicos de la Academia de Ciencias de Rusia realizaron un extenso estudio de los factores que afectan la tasa de degradación de las partículas magnéticas en los mamíferos.   Desarrollaron un enfoque espectral magnético que permite realizar mediciones cuantitativas y no invasivas en ratones de partículas magnéticas, sin la influencia del hierro biogénico. La no invasividad del método permitió realizar un extenso estudio del destino de 17 tipos de partículas de óxido de hierro durante 1 año.  Determinaron 5 parámetros que afectan la vida media de las nanopartículas: dosis de partículas, tamaño, potencial zeta, tipo de recubrimiento de la superficie y arquitectura interna de los nanoagentes.

 

Los aspectos básicos revelados en este trabajo con respecto a  la degradación de partículas in vivo pueden facilitar el diseño de nano y micro partículas con un destino predecible a largo plazo. El enfoque no invasivo se puede  ampliar para comprender mejor el destino a largo plazo de las partículas magnéticas en los tejidos animales con el fin de desarrollar nanoagentes terapéuticos más seguros.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista ACS Nano 2021

lunes, 5 de julio de 2021

Una nueva familia de MXenos basados en cobre


 

Los MXenos son carburos, nitruros o carbonitruros de metales de transición bidimensionales con fórmula química Mn+1Xn, donde M es un metal de transición (usualmente Ti, Mo, Ta, Nb, u otro) y X es carbono, nitrógeno o una mezcla de ambos. Los MXenos ofrecen combinaciones únicas de propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas y coloidales.

 

Tienen alta conductividad eléctrica, un alto potencial zeta negativo y absorción eficiente de ondas electromagnéticas. Esto ha permitido su  aplicación en almacenamiento de energía, catálisis, biomedicina, electrónica y optoelectrónica, entre otras áreas. Además, algunos de estos compuestos presentan propiedades magnéticas  que se pueden modular mediante la funcionalización de la superficie para ser empleados en la fabricación de dispositivos espintrónicos. 

 

Recientemente, investigadores del CNyN publicaron en la revista Nature Scientific Reports evidencia teórico-computacional sobre la existencia de MXenos basados en cobre, previamente desconocidos por la comunidad científica. Dichos resultados permitirán incluir la gran gama de aplicaciones del cobre al universo de los materiales MXenos.

 

Los resultados se publicaron recientemente  en Nature Scientific Reports

martes, 29 de junio de 2021

Nanomedicina: uso de nanomedicamentos en pacientes


 

Investigadores del Consorcio Tecnológico Europeo en Nanomedicina comparten sus opiniones sobre el futuro de la nanomedicina, y las más de 50 formulaciones de base nanotecnológica aprobadas y comercializadas. Tres de estos nanomedicamentos sobresalen: Hensify (NBTXR3), la primera nanopartícula de óxido de hafnio (HfO2), usada para mejorar el efecto ionizante de la radioterapia en el tratamiento del sarcoma. Vyxeos, aprobado en 2017 por la Agencia de Fármacos y Alimentos de USA para el tratamiento de la leucemia mieloide y que es un nanoliposoma que contiene citarabina y daunorrubicina, en una proporción 1:5, lo cual potencia el efecto de los fármacos y mejora su farmacocinética. En el 2018, se aprobó Onpattro, la primera tecnología de nanolípidos que encapsulan ARN de interferencia, utilizado para el tratamiento de la amiloidosis cardíaca por transtiretina, una enfermedad potencialmente mortal que provoca depósitos excesivos de proteínas amiloides en los nervios periféricos y el corazón, ocasionando severas neuropatías. 

 

Existen más de 400 nanomedicamentos actualmente sometidos a ensayo clínico, sobre todo para la entrega intracelular de ácidos nucleicos como el ARN de transferencia y el mensajero. Estos nanomedicamentos combinan las actividades biológicas de los nanomateriales derivadas de sus propiedades fisicoquímicas, y el potencial sinérgico de fármacos y biomoléculas activas. Asimismo, los nanomedicamentos están aunados a otras tecnologías como la biofotónica, microfluídica, materiales avanzados, robótica, etc.  Por esta razón, la así llamada medicina traslacional, que utiliza la nanotecnología para solucionar problemas de la salud mundial, enfrenta una disyuntiva actual, entre la fabricación de nuevos y mejores nanomateriales para el tratamiento oncológico o diversificarse en la resolución de nuevos problemas de salud mundial.

 

Los resultados fueron publicados en el Journal of Controlled Release

lunes, 21 de junio de 2021

Estrategia de intercalación para mejorar el efecto SERS en materiales tipo van der Waals


 

La dispersión Raman amplificada por la superficie (SERS,  por sus siglas en inglés) detecta sustancias con una sensibilidad de hasta moléculas individuales. El efecto SERS se logra en la superficie de nanopartículas de metales nobles como Au y Ag, y surge debido al efecto de la resonancia localizada de plasmones de superficie en los denominados “puntos calientes” donde el campo electromagnético se amplifica localmente y, en consecuencia, aumenta la intensidad de la dispersión Raman. Sin embargo, la desventaja de estos sustratos es la dificultad de controlar la ubicación de los “puntos  calientes”, lo que limita su aplicabilidad. Aparecen alternativas en materiales bidimensionales (2D), donde el efecto SERS se debe a un proceso basado en la transferencia de carga fotoinducida, que conduce a la polarización de la molécula de prueba.Con este tipo de materiales, la dispersión Raman puede aumentar hasta en un factor de 108.

 

En este trabajo, investigadores chinos lograron intercalar H+ en una sola lámina de MoO3 con enlaces van der Waals. Demostraron que la señal Raman  de la molécula Rodamina 6G (R6G) aumenta significativamente, lo  que se ve favorecido por  la transferencia de carga entre el sustrato y la molécula. El límite de detección fue para una concentración de 10-8 M de la molécula prueba (R6G).

 

En resumen, se mejoró el rendimiento de una nanolámina de MoO3 utilizando tecnología de intercalación controlada. Una lámina gruesa de MoO3 inactiva a SERS, se convierte en una nanolámina de MoO3 activa. Además, este sustrato intercalado para SERS es uniforme y estable.

 

Los resultados fueron publicados en Applied Surface Science

viernes, 11 de junio de 2021

Superredes superfluorescentes con estructura tipo perovskita basadas en nanocubos de perovskitas de haluros de plomo


 

A diferencia de la fluorescencia, la superfluorescencia es una emisión colectiva de varios dipolos fotoexcitados inicialmente de forma incoherente, que se acoplan por su campo común de fotones, cuya pérdida de excitación radiativa ocurre más rápido que en la fluorescencia en varios órdenes de magnitud (de < 10-8 a 10-12 segundos).

 

La superfluorescencia se demostró recientemente en superredes de nanocristales de perovskita (ABO3) de haluro de plomo con la geometría de empaquetamiento cúbico simple de nanocristales cúbicos en un súper-cristal tridimensional. Sin embargo, los avances recientes en la ciencia coloidal sugieren que puede ser posible una ingeniería estructural mucho más amplia de superredes que permita el ajuste programable de la emisión colectiva.

 

Un grupo de investigadores de Europa y Estados Unidos demostró que se pueden construir superredes artificiales con la configuración tipo perovskita combinando diferentes tipos de nanocristales. Obtuvieron superredes de nanocristales binarios y ternarios de tipo perovskita (ABO3), creadas a través del co-ensamblaje dirigido de nanocristales de CsPbBr3 cúbicos altamente luminiscentes y estabilizados estéricamente ocupando el sitio B y/o O, nanocristales esféricos de Fe3O4 o NaGdF4 ocupando el sitio A, y nanocristales de PbS con forma de cubo truncado ocupando el sitio B. Estas superredes ABO3, exhiben un alto grado de ordenamiento orientacional de los nanocubos de CsPbBr3. Las superredes exhiben superfluorescencia con una emisión colectiva ultrarrápida (22 picosegundos) que podría adaptarse para su uso en fuentes de luz ultrabrillante. Los resultados establecen las bases para una mayor exploración de mesoestructuras de perovskita complejas, ordenadas y funcionalmente útiles.

 

Los resultados se publicaron en Nature

miércoles, 9 de junio de 2021

Absorción de energía de alto rendimiento por nanofluidos en enrejados porosos zeolíticos


 

La necesidad de absorber la energía por impacto mecánico ha generado diversos tipos de amortiguadores fabricados con materiales que pueden ser de un solo uso o reutilizables. Sin embargo, surge un dilema entre la disipación de alta densidad de energía y la posibilidad de reutilización de los materiales.

 

La penetración de soluciones acuosas a presión en materiales nanoporosos hidrófobos, como los enrejados zeolíticos y los organometálicos (MOF) –de área superficial extremadamente grande, típicamente 1,000-10,000 m2/g– es un proceso prometedor para la obtención de sistemas absorbentes de energía de alta eficiencia. La presión hidrostática de un impacto fuerza al líquido a entrar en los nanoporos, convirtiendo así el trabajo mecánico en energía interfacial. 

 

En la numerosa familia de MOFs se han identificado ciertos materiales para esta aplicación como son los enrejados de imidazolato zeolítico (ZIF, del inglés zeolitic imidazolate framework), hidrotermalmente estables, que consisten en nanocajas hidrofóbicas conformadas por metales de transición coordinados tetrahédricamente con imidazoles (C3H4N2) los cuales se conectan entre sí en un enrejado tipo zeolítico. 

 

Un grupo de investigadores europeos estudió los mecanismos de penetración del agua en condiciones reales de alta velocidad de deformación de hasta 103 s-1. Encontraron un aumento crítico en la capacidad de los sistemas ZIF-agua confinada para absorber energía a mayores cambios de deformación. Demostraron que esta atractiva respuesta ocurre en las ZIFs de nanocajas y desaparece para aquellos enrejados zeolíticos que contienen canales. El modelado molecular muestra que este fenómeno ocurre debido a la escala de tiempo de nanosegundos requerida para la nucleación de cúmulos de agua de tamaño crítico dentro de las nanocavidades, que aceleran la transferencia de agua. Utilizando este conocimiento fundamental, los autores formularon reglas de diseño para crear absorbedores de energía de impacto eficientes, personalizables y reutilizables.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Materials

viernes, 28 de mayo de 2021

Nanobiorreactores para el tratamiento de la leucemia linfoblástica aguda



La leucemia linfoblástica aguda (LLA) es un tipo de cáncer caracterizado por la proliferación incontrolada de los linfocitos inmaduros –células del sistema inmunitario– y una disminución en la formación de células hematopoyéticas de la médula ósea, que son precursoras de las células sanguíneas. La LLA es el cáncer más común en niños de entre 2 y 5 años, y es la primera causa de muerte por enfermedad infantil. Uno de los fármacos más comunes para su tratamiento es la enzima asparaginasa (ASNasa), cuyo mecanismo de acción es a través de la inhibición del ciclo celular, la inanición y la muerte celular programada (apoptosis). Actualmente existen formulaciones comerciales de ASNasa, sin embargo, se ha reportado que en el 50% de los pacientes ocasionan efectos secundarios como alergias, choques anafilácticos y salpullido,  entre otros.

 

Con el propósito de mejorar el efecto anticancerígeno de la ASNasa y reducir al mismo tiempo sus efectos colaterales, investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM utilizaron cápsides del bacteriófago P22 para encapsular la ASNAsa, y generaron nano-biorreactores (ASNasa-P22) con una actividad  citotóxica comparable a las formulaciones comerciales. Encontraron que el nanobiorreactor ASNasa-P22 fue más estable durante 24 horas a temperatura fisiológica (37°C). Al evaluar el efecto tóxico in vitro de estos nanobiorreactores  se detectó una muerte de las células de leucemia MOLT-4 dependiente de la concentración de ASNasa-P22.

 

Este trabajo es uno de los primeros en los que la ASNasa se encapsula dentro de un bacteriófago como una alternativa prometedora para combatir la LLA.

 

Los resultados fueron publicados en Pharmaceutics, MPDI