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

 

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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