Modulación magnetotérmica del crecimiento de células nerviosas dependientes del calcio

El daño a los nervios conduce a discapacidades que afectan gravemente la calidad de vida. Los tratamientos disponibles no garantizan la regeneración completa de los nervios dañados ni la restauración de la función. La cirugía es invasiva e implica la implantación de autoinjertos diseñados para cerrar los espacios entre las terminaciones nerviosas. Sin embargo, tampoco proporciona una regeneración completa. El campo emergente de la neuromodulación magnética mediada por nanopartículas magnéticas (NPM) aprovecha una susceptibilidad magnética diminuta y la baja conductividad de los tejidos biológicos para enviar estímulos de forma inalámbrica a las células en las profundidades del cuerpo. Las NPM pueden diseñarse para convertir campos magnéticos en distintos estímulos físicos, incluidos calor, fuerza y cambios químicos detectados por el mecanismo de señalización celular.

 

Usando síntesis organometálica, los autores obtuvieron NPM monodispersas recubiertas con ácido oleico, de 21 ± 1 nm de diámetro (Fig. 1b). Luego las recubrieron con una capa adicional de copolímero de bloque anfifílico con un espesor promedio de 4 nm, para conferir biocompatibilidad a las NPM en condiciones fisiológicas. Los autores sugieren que el ingreso de Ca²⁺ a las células neuronales en desarrollo contribuye a su crecimiento acelerado. Para probar esta hipótesis, se aplicó la estimulación magnetotérmica remota de un canal iónico termosensible, lo que provoca la entrada de Ca²⁺. La cuantificación de la elongación de los procesos neuronales -las dendritas y el axón- en presencia de NPM disipadores de calor reveló un aumento en el crecimiento después de la estimulación. El estudio in vitro tuvo como objetivo demostrar el potencial de la estimulación magnetotérmica como un medio para acelerar el crecimiento de las células neuronales y ofrecer información sobre el mecanismo que subyace a este efecto.

 

Se espera que la investigación futura se beneficie de la aplicación de esta tecnología in vivo en modelos de trauma.

 

Publicado recientemente en Advanced Functional Materials

Crecimiento controlado de nanopartículas no esféricas

 

Físicos de universidades y centros de investigación de la República de Uzbekistán y de la Federación Rusa desarrollaron una técnica para el crecimiento de nanopartículas no esféricas mediante la implantación de iones.

 

Los investigadores sintetizaron nanopartículas plasmónicas de cobre mediante el bombardeo de un haz de iones de Cu sobre la capa superficial de una cerámica transparente nanocristalina del compuesto MgAl₂O₄con estructura de espinela, escogido por su resistencia a la radiación. El disco cerámico se fabricó empleando el prensado uniaxial en caliente utilizando nanopolvos de MgAl₂O₄. La cerámica fue bombardeada con el haz perpendicular a la superficie, con una dosis de 1 X 10¹⁷ iones de Cu⁺² por cm² en una atmósfera de Ar.

 

Las cerámicas modificadas fueron tratadas térmicamente paso a paso y simultáneamente se realizó el análisis óptico en cada etapa mediante la obtención de espectros de absorción empleando luz monocromática polarizada. Se observó que se sintetizaron nanopartículas plasmónicas elipsoidales, orientadas a lo largo del flujo de iones, durante el bombardeo. El uso de luz polarizada permitió determinar que, durante la implantación, la dirección del flujo iónico incidente ejerce una atracción sobre las nanopartículas plasmónicas. Desarrollaron un modelo matemático, demostrando que la formación de las nanopartículas elipsoidales se debe a la implementación de procesos competitivos de difusión de iones y una mayor actividad de enlaces químicos en la superficie curva de la nanopartícula.

 

Al cambiar la forma de las nanopartículas de esféricas a no esféricas, se aumenta el rango de absorción óptica. Esto, a su vez, es la base para una mayor conversión de energía absorbida en electricidad o calor. Como resultado, se pueden obtener sensores más funcionales y aumentar su rango de sensibilidad. Asimismo, si estas nanopartículas se incrustan en láseres, la potencia de los láseres aumentará. 

 

Una descripción de la tecnología y los resultados de los primeros experimentos fueron publicados en el Journal of Physics and Chemistry of Solids.

 

Más información en Nanotechnology News.

Desarrollo de óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 para la deshidratación catalítica de alcoholes derivados de la biomasa

 

Se espera que en 10 años la tecnología para el aprovechamiento de biomasa permita sustituir del 10 al 15 % de los químicos básicos provenientes de fuentes fósiles por aquellos provenientes de la biomasa. 

 

Entre estos químicos se encuentra el isopropanol (2-propanol). Este alcohol puede servir como base para obtener otros productos químicos básicos como propeno o acetona mediante la deshidratación o deshidrogenación del 2-propanol, respectivamente. La ocurrencia de una u otra  reacción dependerá de la razón acidez/basicidad del catalizador utilizado, por lo que modular está propiedad constituye una herramienta muy importante para ajustar la selectividad. El uso de óxidos mixtos ha mostrado ser una estrategia efectiva para modular tales propiedades.

 

Un grupo de científicos del CNyN, del CICESE y de la Universidad de Tabasco de México, estudió la transformación de isopropanol utilizando catalizadores de óxidos mixtos binarios de Al₂O₃-Y₂O₃. Congruentemente, los experimentos demostraron que con el ajuste del porcentaje en peso de Y₂O₃ (0, 25, 50, 75 y 100 %) se modifican las propiedades texturales y electrónicas, la morfología y la estructura cristalina.

 

En cuanto a la morfología, se encontró que la muestra de alúmina estaba compuesta por nanovarillas que forman microesferas huecas tipo erizo. En cambio, los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ propiciaron microesferas sólidas, cuyo tamaño mostraba un aumento con el contenido de itria. En contraste, el porcentaje de nanovarillas mostró una disminución con el aumento de itria. Por otro lado, la muestra de itria mostró una morfología completamente distinta compuesta por microplacas y microbastones. Con ello, la morfología esférica se atribuye a la mezcla de fases. Asociado al cambio de morfología, se encontró que el área específica disminuye al aumentar el porcentaje de itria.

 

El trabajo demuestra que los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ son apropiados para regular la selectividad en la transformación a isopropanol. En específico, los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ mostraron un efecto sinérgico para aumentar la basicidad y por lo tanto la selectividad a acetona.

 

El trabajo fue publicado recientemente en Applied Catalysis B: Environmental

Robot de síntesis química habilitado con inteligencia artificial para la exploración y optimización de nanomateriales

 

Los nanomateriales poseen propiedades físicas y químicas únicas, que se pueden controlar mediante su forma y su tamaño. El control de la morfología de los nanomateriales es crucial para ajustar sus propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas, sin embargo, a pesar de la disponibilidad de varias rutas sintéticas, encontrar las condiciones óptimas es un gran desafío. Como resultado, la síntesis de nanomateriales a menudo sufre de irreproducibilidad, bajo rendimiento y polidispersidad. 

 

Investigadores de la Universidad de Glasgow, UK, desarrollaron un robot de síntesis química autónoma para la exploración inteligente, el descubrimiento y la optimización de nanoestructuras (AI-EDIDON, del inglés) conducidas por algoritmos de aprendizaje automático, teoría y retroalimentación espectroscópica en tiempo real, que controlan las condiciones de reacción y permiten la creación selectiva de plantillas de reacciones. En particular, la exploración abierta de la síntesis de múltiples pasos mediada por semillas de nanopartículas de oro (AuNP) a través de la caracterización ultravioleta-visible en línea los condujo al descubrimiento de cinco categorías de nanopartículas. La plataforma optimizó las nanoestructuras con las propiedades ópticas deseadas mediante la combinación de experimentos y simulaciones de espectro de extinción para lograr un rendimiento de hasta el 95 %. 

 

El desarrollo de tales arquitecturas robóticas de precisión autónomas capaces de realizar experimentos paralelos, con un sistema de control de lazo cerrado guiado por algoritmos de aprendizaje automático, puede proporcionar un camino viable para abordar la alta dimensionalidad y la sensibilidad a las condiciones de síntesis de nanomateriales.

 

Publicado en Science Advances

Una revisión sobre nanopartículas: tipos, síntesis, caracterización y aplicaciones

Los nanomateriales han ocupado un lugar destacado en los avances tecnológicos modernos en los campos químico, médico, agrícola y otros, debido a sus características físicas, químicas y biológicas, y a la posibilidad de controlarlas fácilmente, en especial cuando se comparan con contrapartes más voluminosas. Los científicos han desarrollado un gran número de metodologías diferentes de producir nuevos nanomateriales, así como de procedimientos para utilizarlos. Existen numerosas fuentes de nanopartículas y materiales nanoestructurados, tanto naturales como fabricados en laboratorios. Uno de los principales nanomateriales que contribuyen a la nanotecnología son las nanopartículas. 

El artículo de revisión clasifica y resume varios métodos para producir nanopartículas a partir de metales, óxidos metálicos, semiconductores, polímeros y otros compuestos. Se propone que los métodos para la síntesis de nanopartículas se dividan en tres grandes grupos: físicos, químicos y biológicos. Se están desarrollando activamente "enfoques verdes", como la síntesis de nanopartículas a partir de extractos de plantas y biomoléculas de microorganismos, que conducen a procesos tecnológicos con toxicidad reducida o nula en comparación con otros métodos. Este artículo de revisión permite comparar nanopartículas y materiales nanoestructurados sintéticos y naturales, comparar sus características a nanoescala e identificar aplicaciones específicas de las nanopartículas y los materiales nanoestructurados.

 

Publicado recientemente en Biointerface Research in Applied Chemistry

Películas de nanocompuestos aumentan la disipación de calor en dispositivos electrónicos delgados

 

En los últimos años, ha habido un gran avance en la tecnología electrónica que ha desarrollado dispositivos más delgados, livianos, flexibles y robustos. A medida que los dispositivos se vuelven más delgados, el espacio para acomodar los componentes de trabajo internos se reduce considerablemente. Sin embargo, esto genera un problema de disipación de calor en los dispositivos muy delgados, debido a que los materiales convencionales usados para disipar calor son voluminosos y difíciles de integrar en esta nueva tecnología. 

 

Científicos de Japón diseñaron películas flexibles de difusión térmica, hechas de una matriz de nanofibras de celulosa y relleno de fibras de carbono alineadas en una dirección, utilizando patrones tridimensionales en fase líquida. Las películas preparadas mostraron una gran anisotropía de conductividad térmica en el plano, lo que aumentó la disipación de calor y evitó la interferencia térmica de las fuentes de calor hacia los dispositivos electrónicos de película delgada. Las películas flexibles exhibieron una alta anisotropía de conductividad térmica en el plano de 433 %, combinada a una conductividad térmica de 7,8 W/mK en la dirección de las fibras y una conductividad térmica de 1,8 W/mK en la dirección perpendicular a las fibras del plano. Esta notable conductividad térmica y anisotropía en el plano mostraron la capacidad de enfriar significativamente los dispositivos, así como de enfriar dos fuentes de calor muy próximas sin interferencia térmica. Las fibras de carbono pueden extraerse mediante tratamiento térmico a 450 °C y reutilizarse como material termoconductor.

 

La disipación de calor mediante películas flexibles fabricadas con nanocompuestos permitirá el desarrollo de dispositivos más delgados sin el obstáculo de la acumulación de calor.

  

Los resultados se publicaron en ACS Applied Mater Interfaces

 

Más información en Nanotechnology News

Zeolitas Magnéticas: Clasificación, Rutas de Síntesis y Aplicaciones Tecnológicas

 Las zeolitas tienen importantes aplicaciones industriales relacionadas con la adsorción y la catálisis. Una posibilidad interesante es la incorporación de nanopartículas magnéticas en los cristales de zeolita para que el compuesto resultante pueda responder a un campo magnético externo. Los autores de este artículo propusieron una clasificación de las zeolitas magnéticas en función de sus características estructurales: 

 

Tipo I - partículas magnéticas internas: las zeolitas se crecen en presencia de nanopartículas magnéticas, de modo que éstas resultan estar encapsuladas;

 

Tipo II: partículas magnéticas en la superficie de la zeolita;

 

Tipo III - núcleo magnético único: partículas magnéticas recubiertas con capas de zeolita;

 

Tipo IV - nanoaglomerados: el tamaño de las partículas de zeolitas y compuestos magnéticos es inferior a 100 nm;

 

Tipo V - compuestos trimodales: inclusión de compuestos magnéticos de zeolita en una matriz polimérica que impide que el oxígeno llegue a su superficie.

 

Las zeolitas magnéticas tienen aplicación en problemas ambientales o catalíticos actuales.  Una de sus ventajas es la eficiencia económica, ya que los materiales de partida son baratos: óxidos de hierro magnéticos y zeolitas, tanto naturales como sintéticos. Sus propiedades de adsorción se utilizan para eliminar iones metálicos tóxicos de metales de transición, y radiactivos presentes en soluciones acuosas, así como para extraer compuestos orgánicos, incluyendo colorantes y aceites, de medios líquidos. La combinación de zeolitas con partículas magnéticas mejora significativamente las propiedades catalíticas de las zeolitas y simplifica la eliminación de catalizadores del reactor. Cabe destacar algunas de las nuevas aplicaciones, como los sistemas de administración de fármacos, la inmovilización de enzimas, los biosensores y el control bacteriano.

 

Publicado en Journal of Magnetism and Magnetic Materials

Mejoran el rendimiento de la electrónica en semiconductores de dos dimensiones (2D)

 

Los semiconductores bidimensionales (2D) podrían potencialmente reemplazar al silicio en futuros dispositivos electrónicos. Sin embargo, la baja movilidad de los portadores en los semiconductores 2D a temperatura ambiente, causada por una fuerte dispersión de fonones, sigue siendo un desafío crítico. 

 

Investigadores de Universidades de Shangai, Hong Kong y Singapur descubrieron recientemente que el rendimiento de la electrónica en materiales 2D mejora notablemente al crear ondas en un material como el disulfuro de molibdeno (MoS₂).  

 

Encontraron que las distorsiones de red reducen la dispersión de electrones y fonones en materiales 2D y, por lo tanto, mejoran la movilidad del portador de carga. Indujeron distorsiones de red en disulfuro de molibdeno 2D (MoS₂) utilizando sustratos abultados, que crearon ondas en el material 2D que condujeron a un cambio en la constante dieléctrica y a una dispersión de fonones suprimida. El MoS₂ ondulado mostró una mejora de dos órdenes de magnitud en la movilidad a temperatura ambiente. La movilidad alcanzó  ∼900 cm² V⁻¹s⁻¹, lo que supera la movilidad limitada en MoS₂ plana por fonones, prevista en 200–410 cm²  V⁻¹s⁻¹. 

 

Este enfoque se puede utilizar para crear dispositivos termoeléctricos y transistores de efecto de campo a temperatura ambiente de alto rendimiento.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Electronics.

 

Mas información en Nanotechnology News.

Películas nanométricas de MgFx desplazando el contacto mejoran la eficiencia y estabilidad de celdas solares tándem perovskita-silicio.

 Entre los nuevos avances sobre celdas solares, destaca el desarrollo de prototipos tándem que integran los mejores resultados de las celdas de silicio y aquellas de perovskita. Estos prometen muy altos valores de la eficiencia de conversión de energía (PCE, del inglés power conversion efficiencies). Uno de los prototipos estudiados contempla interfaces fullerenos (C60)-perovskita en una configuración de polaridad invertida (p-i-n); sin embargo, el rendimiento de estas celdas todavía está limitado por la recombinación en su interfaz de extracción de electrones, lo que también reduce la PCE de las celdas tándem perovskita-silicio p-i-n.

 

Un grupo de investigadores de Arabia Saudita y Alemania investigó los efectos de capas nanométicas de fluoruros de metales (NaF, CaF_x, MgF_x) en la interfaz perovskita/C60. Encontró que una capa intermedia de MgF_x de ~1 nm de espesor en la interfaz perovskita/C60, obtenida por evaporación térmica, ajusta favorablemente la energía superficial de la capa de perovskita que facilita la extracción eficiente de electrones. Además, al desplazar la capa C60 de la superficie de la perovskita logran mitigar la recombinación no radiativa. Estos efectos permiten alcanzar un excelente voltaje a circuito abierto V_OC = 1,92 V, un factor de llenado mejorado del 80,7 % y un PCE estabilizado del 29,3 % para una celda tándem monolítica de perovskita-silicio de ~1 cm². El tándem mantuvo ~95 % de su rendimiento inicial después de la prueba de humedad y calor (85 °C a 85 % de humedad relativa) durante más de 1000 horas.

 

Trabajo publicado en la revista Science

El NiO impurificado con Cloro promueve la electroreducción de CO2 a formiato

 

Actualmente, la producción de energía eléctrica proviene principalmente de combustibles fósiles, cuya combustión genera grandes cantidades de dióxido de carbono (CO₂) que se libera a la atmósfera. Atrapar al CO₂ y convertirlo en subproductos de carbono con un valor agregado es un excelente método de remediación. Recientemente, se ha demostrado que el óxido de níquel (NiO) impurificado con cloro (Cl) es un excelente catalizador para la obtención de formiato (HCOO^-) mediante la reacción de reducción de CO₂(CO₂RR), pues muestra una conversión del 70%.

 

Mediante estudios teórico-experimentales, un grupo internacional de investigadores inspeccionó el efecto que tiene el Cl en el proceso de conversión de CO₂ a formiato. Los experimentos demostraron que el NiO sin impurificar promueve la formación de hidrógeno molecular (H₂); sin embargo, cuando se impurifica con Cl al 9%, se promueve la síntesis de HCOO^-. Mediante simulaciones computacionales basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT) junto con el análisis de la estabilidad termodinámica de diversas terminaciones de la superficie (111) del NiO, se demostró que, en condiciones ricas en oxígeno, la presencia de vacancias de oxígeno sobre la superficie resulta ser termodinámicamente estable y juegan un papel importante en la CO₂RR, pues actúan como sitios activos. Con la adición del Cl, las especies clorinadas ocupan las vacancias de oxígeno y evitan que la molécula de CO₂ se adhiera a la superficie. De este modo, la molécula de CO₂queda fisisorbida sobre la superficie, cerca de los átomos de Cl a través de interacciones de Van der Waals, y susceptible de interaccionar con un protón del medio. Las simulaciones demostraron que la interacción C-H ocurre más favorablemente que la interacción O-H, por lo que la formación de formiato es más probable que la síntesis de alcoholes.

 

Estos resultados abren la puerta al uso de halógenos (F, Cl, Br, I) para inducir la reducción selectiva de CO₂ a un subproducto en particular en CO₂RR.

 

Los resultados se publicaron en Applied Materials Science

Evaluación directa del efecto de retención de partículas metálicas subnanométricas encapsuladas en zeolita

 Los efectos de confinamiento son bien conocidos en catálisis; están asociados con una estructura geométrica o electrónica espacialmente limitada del sitio activo y/o molécula de sustrato durante los ciclos catalíticos. En catálisis heterogénea los efectos de confinamiento suelen estar asociados a nanopartículas situadas en espacios nanométricos disponibles de los soportes, lo cual permite lograr una reactividad y selectividad únicas como se ha demostrado ampliamente con catalizadores metálicos a base de zeolita.

 

Una de las manifestaciones típicas del efecto de retención es el aumento significativo de la estabilidad. Por ejemplo, las nanopartículas metálicas pequeñas pueden resistir la sinterización en condiciones de alta temperatura cuando se encapsulan en cavidades o canales de las estructuras de zeolita. La movilidad de las partículas metálicas más pequeñas estará limitada por la estructura rígida de la zeolita, lo que dará como resultado una alta resistencia térmica a la sinterización incluso en una atmósfera reductora. Se ha demostrado que las partículas metálicas subnanométricas encerradas dentro de canales/cavidades de las zeolitas son catalizadores estables y eficientes.

 

Mediante la combinación de cálculos teóricos, simulaciones de imágenes y mediciones experimentales basadas en imágenes de contraste de fase diferencial integradas con microscopía electrónica de transmisión de barrido, se estudiaron la disposición y el entorno de coordinación de átomos de iridio aislados y grupos incrustados en zeolita. Los resultados del análisis de imágenes muestran que la deformación local está estrechamente relacionada con la fuerza de interacción metal-zeolita.

 

La observación directa de la retención de partículas metálicas subnanométricas encapsuladas en zeolitas permite comprender sus características estructurales y sus consecuencias catalíticas.

 

Más información en Nature Communications

La ciencia de materiales en 2.5 dimensiones: cambio de paradigma hacia innovaciones del futuro

 

El descubrimento del grafeno abrió el campo de investigación de materiales 2D. Ahora se estudian una amplia variedad de materiales 2D con diversas composiciones: dicalcogenuros de metales de transición (TMDC’s por sus siglas en inglés); nitruro de boro hexagonal (hBN) y monocapas de un solo elemento como siliceno (Si), germaneno (GE), estañeno (Sn) y el fósforo negro (P). Teóricamente se han predicho más de 1800 tipos de cristales en 2D.

 

El nuevo campo de estudio de los materiales bidimensionales que se apilan mediante enlaces tipo van der Waals (vdW), ha generado mucho interés en las propiedades del nanoespacio bidimensional entre las capas, donde aparecen fenómenos físicos únicos, así como en la síntesis de nuevos materiales. Reconociendo este grado de libertad adicional a las 2D es posible aplicar la ciencia de los compuestos intercalados. A este campo de estudio se le denomina “materiales de 2.5 dimensiones (2.5D)”.

 

Un grupo de investigadores de instituciones japonesas revisó las propiedades que se manifiestan en el espacio entre los materiales 3D y los materiales 2D. A dicho espacio se le denomina de 0.5D. Las nuevas propiedades surgen a partir de la manipulación del apilamiento de las monocapas, la rotación entre ellas y la conexión entre las capas 2D.

 

El nuevo campo de materiales 2.5D estimulará la colaboración interdisciplinaria, el desarrollo de nuevos métodos de síntesis y aplicaciones tecnológicas como: pantallas táctiles flexibles, transistores de alta frecuencia, sensores (químicos, bioquímicos, ópticos y magnéticos), membranas-filtro, transparencia óptica y resistencia mecánica.

 

Más detalles en: Science and Technology of Advanced Materials.

Capa aislante nanométrica incrementa el transporte de corriente de espines

 

En la microelectrónica moderna, la carga de los electrones se utiliza para transportar información en componentes electrónicos, teléfonos móviles y medios de almacenamiento. El transporte de carga requiere una cantidad relativamente grande de energía y genera calor. La espintrónica, que utiliza el espín del electrón en el procesamiento de la información, podría ofrecer una alternativa de ahorro de energía. El espín es el momento angular intrínseco de los electrones que crea el momento magnético de espín o simplemente espín.

 

La estructura de construcción básica en los dispositivos espintrónicos son las bicapas ferromagnético(FM)/metal pesado donde la magnetización del ferromagnético puede ser conmutada mediante el control de las corrientes de espín generadas en el metal pesado (HM, del inglés heavy metal).

 

Sin embargo, el elemento clave en el transporte del espín de tales dispositivos lo constituye la interfase FM/HM. Investigadores de varias universidades alemanas demostraron que una capa intermedia aislante de MgO con espesor de unos pocos átomos y situada en la interfase de CoFeB como FM y de Ta como HM, mejora la eficiencia del transporte de las corrientes de espín entre las capas. 

 

Los resultados son relevantes para diversas aplicaciones espintrónicas como la emisión de señales en los terahercios (THz). La radiación en los terahercios no solo se aplica en la investigación, sino también en la electrónica de muy alta frecuencia, la medicina, las pruebas de materiales y la tecnología de la comunicación.

 

Los resultados fueron publicados en Nano Letters de la American Chemical Society (ACS)

Multiferroicidad magnetoeléctrica creada mediante el control del acoplamiento espín-fonón por presión negativa

 

Los óxidos con estructura de perovskita exhiben una variedad de funcionalidades fascinantes como superconductividad, magnetismo, ferroelectricidad y multiferroicidad, atribuidas a la interacción entre diferentes grados de libertad intrínsecos como el espín, la carga, el orbital y la red cristalina. Recientemente, la presión negativa relativa al incremento de los parámetros reticulares en tres dimensiones, ha surgido como una poderosa herramienta para adecuar y mejorar las propiedades físicas de los óxidos funcionales conocidos, como los ferroeléctricos y superconductores.

 

Un grupo internacional de investigadores diseñó una metodología que permite el control del acoplamiento espín-fonón mediante presión negativa. Utilizando la presión negativa inducida por tensión tridimensional uniforme en películas epitaxiales de nanocompositos alineados verticalmente de (EuTiO₃)0.5:(MgO)0.5 crecidas por auto-ensamblado sobre SrTiO₃, demostraron la aparición de multiferroicidad con acoplamiento magnetodieléctrico en el EuTiO₃. Probaron que la deformación tridimensional por presión negativa en el EuTiO₃ se establece a través del MgO. La interacción entre espines y fonones se reveló midiendo el efecto magnetodieléctrico e investigando cómo afecta la magnetización a los fonones. Sus resultados coincidieron exactamente con los cálculos teóricos empleando la teoría del funcional de la densidad (DFT). Además, emplearon los cálculos DFT para explorar la física subyacente de las transiciones de fase antiferromagnética-paraeléctrica a ferromagnética-ferroeléctrica, el acoplamiento espín-fonón y su correlación con las presiones negativas. 

 

Este trabajo proporciona una ruta para crear multiferroicidad y acoplamiento magnetoeléctrico en óxidos monofásicos utilizando la metodología de presión negativa.

 

Este trabajo fue publicado en Nature Communications

Efecto de nano-SiO2 y nano-CaCO3 en las propiedades mecánicas estáticas y dinámicas del concreto

 El concreto u hormigón se ha convertido en el material de construcción más común en la historia humana porque es conveniente, económico y práctico. Teniendo en cuenta la seguridad y fiabilidad de las estructuras de concreto, es necesario adaptarlas a condiciones cada vez más severas mediante las modificaciones adecuadas, incluso con la ayuda de nanomateriales. 

En este trabajo, se estudia el efecto de la adición de nanomateriales como nano-SiO₂ (NS) y nano-CaCO₃(NC) en las propiedades mecánicas de un concreto convencional. Se prepararon tres tipos de concreto aleado con 2.0 % de NS, 2.0 % NC y una mezcla de 1.0 % de NS y 1.0 % de NC (NS, NC, NSC, respectivamente). Se compararon sus propiedades con las del concreto convencional (PC). Los resultados mostraron que bajo carga estática, en comparación con el PC, el NC aumentó claramente tanto la resistencia mecánica como el módulo elástico, mientras que en el NS se redujo la resistencia y aumentó el módulo elástico. A la misma velocidad de deformación, la resistencia dinámica a la compresión del NC aumentó significativamente y el NS mostró una resistencia reducida. El comportamiento del concreto NSC estuvo entre PC y NC en términos de propiedades mecánicas estáticas y dinámicas, pero en general mejor.

 

La modificación con solo nano-CaCO₃ aumentó la densidad del concreto, fortaleció los puntos débiles y optimizó la distribución del tamaño de los poros. La modificación con solo nano-SiO₂ provocó la formación de zonas débiles evidentes en el concreto y el deterioro de la estructura porosa.

 

Los resultados fueron publicados en Scientific Reports

Investigadores crean nanoestrellas de oro usando un peptoide

 

La síntesis de nanomateriales inspirada en procesos biológicos ofrece potencial para controlar el crecimiento de partículas; sin embargo, ha sido un reto controlar la interacción biomaterial-partícula con precisión. 

 

Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía y la Universidad de Washington (UW) en Estados Unidos, diseñaron con éxito una molécula orgánica que puede dirigir átomos de oro para formar estrellas perfectas a nanoescala. Su enfoque se inspiró en que las proteínas pueden controlar la síntesis de materiales con estructuras muy precisas.

 

Para crear las nanoestrellas, los investigadores sintetizaron secuencias de peptoides, que son polímeros sintéticos programables similares a las proteínas. Los peptoides guían a las partículas de oro para que se adhieran y formen nanoestructuras de cinco maclas, al mismo tiempo que estabilizan las facetas de la estructura cristalina. 

 

Las observaciones por microscopía electrónica de transmisión (TEM) ex situ y en fase líquida muestran un equilibrio entre la unión de partículas sesgadas y cerca de los puntos estelares. El crecimiento preferencial a lo largo de la dirección [100] y la estabilización de las facetas (111) son fundamentales para formar partículas en forma de estrella.

 

Esta investigación representa un paso importante hacia la comprensión y el control de la forma de las nanopartículas metálicas y la creación de materiales avanzados con propiedades ajustables. Los nanomateriales metálicos en forma de estrella exhiben características únicas que son útiles para detectar bacterias patógenas, entre otras aplicaciones de salud. 

 

Este trabajo fue publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie.

Evaluación toxicológica de nanomateriales en modelos in vitro de células de pulmón

 Las evaluaciones toxicológicas de nanomateriales en células animales, tradicionalmente se llevan a cabo suspendiendo nanopartículas (NPs) en un medio líquido que contiene los nutrientes necesarios para que las células crezcan. Sin embargo, estos escenarios experimentales no reflejan las condiciones fisiológicas naturales de las exposiciones aéreas. 

 

Para el estudio del efecto de los nanomateriales (NMs) sobre células de las vías respiratorias se utilizan NPs en forma de aerosol, que son administradas directamente en la interfaz aire-líquido. Sin embargo, estos ensayos requieren de una infraestructura especializada y costosa. 

 

Para corroborar si la exposición a areosoles de NPs induce una respuesta celular diferente a la que se observa con los métodos tradicionales, investigadores de Suecia utilizaron las células A549 de pulmón (alveolos) humano y compararon el efecto de las NPs de ZnO mediante el sistema conocido como Cámara de Nano Aerosoles para la Toxicidad in vitro (NACIVT, por sus siglas en inglés), con el efecto mediante el sistema tradicional de cultivo sumergido de células también conocido como interfaz líquido-aire (ALI, por sus siglas en inglés). Imitaron las concentraciones de NPs de ZnO en una exposición ocupacional (1 µg/cm2).

 

Se observó que, en contraste con el sistema ALI, en el sistema NACIVIT las NPs de ZnO indujeron un aumento significativo en la actividad metabólica celular, la producción y liberación de citocinas pro-inflamatorias IL-8 y MCP-1. Por lo tanto, las respuestas celulares inducidas por las NPs de ZnO en el sistema NACIVT son más preponderantes que en el ALI. 

 

Estos resultados respaldan el uso de sistemas de exposición fisiológicamente más realistas para evaluar la toxicidad los NMs presentes en el aire, lo que contribuye a aumentar los conocimientos sobre las respuestas toxicológicas a la exposición aérea a las NPs.

 

Los resultados fueron publicados en Nanotoxicology

Obtención de grafeno de alta calidad mediante la reacción de Boudouard

 

El descubrimiento del grafeno se ha convertido en un hito de la física del estado sólido contemporáneo y de la ciencia de los materiales.  

Uno de los métodos más avanzados para la producción de grafeno es el de depósito por descomposición química de vapores (CVD, por sus siglas del inglés chemical vapor deposition), mediante el cual se realiza la descomposición catalítica de una fuente de C en estado gaseoso (generalmente hidrocarburos) sobre sustratos metálicos. La síntesis de capas monocristalinas de grafeno es un reto importante para la catálisis ya que la precipitación de carbono debe terminarse al completarse la primera monocapa grafítica.

 

En este trabajo, siguiendo la ruta de síntesis para producir nanotubos de carbono de pared simple a partir del proceso de CO a altas presiones, se propone la síntesis de grafeno monocristalino de ultra alta pureza en decenas de minutos. Por primera vez, se utiliza la reacción de Boudouard* para producir monocapas sobre la superficie del catalizador metálico. La técnica CVD, en este caso, evita el uso de sistemas de vacío y es libre de hidrógeno atómico o molecular.

 

Esta ruta de síntesis abre la posibilidad de producir grafeno mediante un proceso a presión ambiental o más alta, utilizando CO con un reducido número de parámetros a controlar (presión, temperatura de la síntesis y concentración de CO₂) y con mayor seguridad al ser libre de hidrógeno. El control de la relación CO/CO₂inhibe la nucleación de grafeno y mantiene una alta tasa de producción de semillas de grafeno para lograr monocristales a gran escala.

 

* Reacción de Boudouard. Reacción química de dismutación o desproporción, en la que se gasifica carbón con CO₂ para la obtención de CO, o su ecuación reversa, en la cual se forma grafeno: 2CO ↔ CO₂ + C.

Los resultados fueron publicados en Advance Science

Medición tomográfica del tensor dieléctrico a frecuencias ópticas

 Las propiedades físicas son magnitudes tensoriales que describen la respuesta de los materiales ante la acción de estímulos como un campo de tensiones, un campo eléctrico, un campo magnético y/o un gradiente de temperatura. Los tensores que describen la anisotropía cristalina se representan mediante matrices simplificadas con 1, 9, 18, o 36 elementos según sea el rango del tensor.

El tensor dieléctrico e (permitividad) caracteriza la transformación lineal del vector campo eléctrico aplicado E en el vector desplazamiento eléctrico D (D = e E). Si el campo eléctrico oscila a la frecuencias ópticas, el tensor e  es un descriptor físico de las interacciones luz-materia, cuya medida permite la caracterización de materiales anisotrópicos con índices de refracción y ejes ópticos dependientes de la orientación cristalina.

El conocimiento pleno del tensor dieléctrico tridimensional (3D) es de gran importancia por sus aplicaciones, especialmente en la física de la materia suave. Sin embargo, la medición directa de e 3D está limitada por la naturaleza vectorial y no homogénea de la dispersión de la luz en los materiales anisotrópicos.

Investigadores coreanos reportaron una metodología para la adquisición directa de imágenes tomográficas del tensor dieléctrico que permiten su reconstrucción 3D en muestras anisotrópicas sin el uso de restricciones, consideraciones o supuestos; incluyendo variaciones espaciales de los índices de refracción y ejes ópticos. La muestra anisotrópica se iluminó con una onda plana polarizada con varios ángulos y estados de polarización. Luego, los campos eléctricos de la luz dispersada se midieron holográficamente y se convirtieron en componentes del campo vectorial difractado. Finalmente, resolviendo inversamente la ecuación de onda vectorial, se reconstruyó el tensor dieléctrico 3D.

Demostraron la efectividad de la metodología mediante el estudio de varias estructuras de cristales líquidos nemáticos y su dinámica 3D en estado de desequilibrio.

 

 

El artículo fue publicado en Nature Materials, are available at https://doi.org/10.1038/

s41563-022-01202-8.