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