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