Piel artificial inteligente a base de cristales fotónicos inspirada en el camaleón

Inspirándose en la naturaleza, en la ciencia e ingeniería de materiales se intenta sintetizar materiales fotónicos que puedan cambiar su color condicionados por el entorno, como sucede en los camaleones, pulpos, los peces tetra neón y otros. Tales materiales, denotados como "pieles inteligentes", son de gran importancia en diversas aplicaciones que van desde el camuflaje, sensores químicos, biodetección y comunicaciones, hasta la lucha contra la falsificación. Entre ellos resaltan los hidrogeles que tienen integrados cristales fotónicos responsables del color; sin embargo, una limitación importante es que requieren una deformación significativa (> 20%) para cambiar la constante de red de los cristales y generar un desplazamiento cromático observable (∼100 nm). 

Al analizar el mecanismo del cambio de color de la piel del camaleón, investigadores de Estados Unidos desarrollaron una piel inteligente que se adecúa a la tensión y mantiene casi constante su tamaño durante el cambio cromático en respuesta a los estímulos térmicos y de la luz solar.  La piel inteligente se compone de dos capas. La primera es una capa de arreglos cuadrados de un hidrogel que contiene embebidos y dispersos los cristales fotónicos compuestos de nanopartículas magnéticas tipo core-shell Fe₃O₄@SiO₂, y es la encargada de responder a los estímulos. Ésta capa se dispone sobre otra que consiste en un segundo hidrogel con propiedades mecánicas robustas que permite absorber las contracciones y expansiones. La estrategia establecida proporciona la metodología para el diseño futuro de pieles inteligentes artificiales.

Los resultados fueron publicados recientemente en ACS Nano

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Desarrollo de estructuras metálicas superhidrofóbicas e insumergibles

Las superficies superhidrofóbicas (SH) prometen numerosas aplicaciones. Como regla, tales superficies son ricas en textura en la nano y microescalas. La superhidrofobia se asocia a capas de aire atrapado por estas estructuras. La superficie SH se daña fácilmente por abrasión mecánica y su efectividad se pierde al sumergirse en agua, por lo que su uso es limitado.

Científicos de EE.UU. y China superaron estos obstáculos desarrollando una estructura de metal flotante SH multifacética. En este trabajo, las nanoestructuras de la superficie fueron creadas por pulsos láser con una duración de una millonésima de nanosegundo (femtosegundo). El nuevo material presenta una capacidad de flotación sin precedente incluso después de varios meses de inmersión forzada en agua. Además,  flota incluso después de daños mecánicos extensos y perforaciones. Esta característica es única en comparación con los dispositivos flotantes convencionales.

El estudio de las superficies SH se enmarca en el campo de materiales bioinspirados en el que se trata de emular funciones de los seres vivos. En este caso el  diseño fue inspirado por las arañas de agua (Argyroneta aquatica) y las hormigas de fuego (Solenopsis). Constituye un punto de partida para el desarrollo de proyectos biomiméticos inspirados en criaturas que usan sus superficies SH, incluso completamente sumergidas bajo el agua. 

Los resultados fueron aceptados para publicación en ACS Applied Materials & Interfaces

Propiedades mecánicas dependientes de la composición en aleaciones de alta entropía

Las aleaciones de alta entropía son materiales que contienen cinco o más elementos en proporciones casi equiatómicas. Su composición no convencional y su estructura química son prometedoras para lograr combinaciones de propiedades mecánicas sin precedentes.

Investigadores de Estados Unidos y China llevaron a cabo un mapeo químico con resolución atómica para revelar la distribución de los elementos en la aleación de Cantor formada por CrMnFeCoNi y en otra de CrFeCoNiPd, ambas cúbicas centradas en la cara. En la aleación de Cantor la distribución de los cinco elementos constituyentes es relativamente aleatoria y uniforme. Por el contrario, en la aleación CrFeCoNiPd,  los átomos de paladio promueven una disminución de la homogeneidad debida a una mayor agregación de los elementos. Las pruebas esfuerzo-deformación realizadas in situen un microscopio electrónico de transmisión revelan mecanismos de deformación en la aleación CrFeCoNiPd, que difieren notablemente de los de la aleación de Cantor y otras aleaciones de alta entropía.

El  control de la composición de una aleación de alta entropía permite ajustar la distribución de los elementos, la estructura y sus propiedades. Estos hallazgos podrían permitir a los investigadores en el futuro diseñar aleaciones a la medida con propiedades específicas.

Los resultados se publicaron recientemente en Nature

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Nanopartículas como enzimas artificiales contra el cáncer

Investigadores de China reportaron el uso de enzimas artificiales basadas en nanopartículas (nanoenzimas o NEs) de Cu_2-xTe para combatir la metástasis y la recurrencia de tumores en animales. Estas enzimas inorgánicas artificiales, a diferencia de las proteicas, tienen mayor estabilidad y son más baratas y fáciles de obtener. Los autores sintetizaron nanopartículas NEs de Cu_2-xTe con actividad enzimática de glutatión oxidasa y peroxidasa. La primera disminuye la cantidad de glutatión, el principal antioxidante celular; la segunda promueve la formación de especies de oxígeno altamente reactivas (ROS, del inglés reactive oxygen species). 

Los investigadores estudiaron el efecto fototérmico anticancerígeno de las NEs en ratones con cáncer. Cuando las NEs se irradian a 1064 nm tienen una eficiencia de conversión fototérmica del 39.4%, muy superior a todos los agentes utilizados en la fototerapia térmica en el infrarrojo cercano (1000-1350 nm). Esto induce la muerte de las células de cáncer al incrementar la formación de ROS en su interior, así como la inflamación localizada que activa a los macrófagos y finalmente reduce el tamaño del tumor. Cabe resaltar que las NEs evitaron la metástasis y las recurrencias del tumor. Estos hallazgos son importantes para el diseño de enzimas artificiales con funciones terapéuticas duales: la formación de ROS y el efecto fototérmico.

Los resultados fueron publicados recientemente en Angewandte Chemie 

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Conversión espín-carga y la estructura de bandas de un gas bidimensional de electrones

Como alternativa a la espintrónica dependiente de materiales ferromagnéticos, el presente trabajo se orienta hacia la orbitrónica de espínes que aprovecha la interconversión espín-carga que ocurre de manera muy eficiente  en materiales no-magnéticos, debido  al acoplamiento espín-órbita.  Investigadores de Europa, demostraron la alta conversión espín-carga que ocurre en una interface, al diseñar un gas de electrones bidimensional de SrTiO₃(STO) con alta densidad de portadores de carga y correlacionar el cambio de voltaje de compuerta con su estructura de bandas. El gas de electrones en 2D se preparó depositando Al (1 nm) sobre el óxido de titanio (TiO₂) de la superficie del STO.  Después se depositó una película delgada de NiFe. La composición química de las películas se determinó in situpor XPS.

Estos resultados indican que los gases de electrones bidimensionales generados con óxidos deben considerarse como candidatos muy fuertes para el transporte de espines en nuevos dispositivos como memorias y transistores.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Materials.

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Heteroestructuras de puntos cuánticos de perovskitas híbridas mejoran la eficiencia de celdas solares

Las perovskitas híbridas de haluros metálicos han adquirido gran interés en las aplicaciones optoelectrónicas como las fotovoltaicas. En celdas solares, las películas delgadas de perovskitas híbridas se fabrican a partir de precursores moleculares solvatados como adsorbentes de los fotoportadores. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes relacionados con su comportamiento de bulto, inestabilidad ambiental y de fase.

Un grupo de investigadores de China y Estados Unidos ha desarrollado una nueva celda solar basada en puntos cuánticos (QD, del inglés quantum dot) de perovskitas híbridas. Empleando soluciones coloidales de QDs, lograron crecer capa a capa una heteroestructura de QDs acoplados entre sí a través de un ligando conductivo que a su vez provee rigidez de sólido y mayor estabilidad ambiental y de fase. Esta nueva arquitectura mejora la separación y extracción de los fotoportadores e incrementa la corriente de corto-circuito y el factor de llenado, cruciales para el rendimiento del dispositivo. Con el control de la composición de cada capa se obtiene una distribución heterogénea de QDs que facilita la separación de los portadores en la interfaz interna y su migración hacia los electrodos respectivos. Utilizando estas heterostructuras, una de sus celdas solares prototipo alcanza 17.4% de eficiencia de conversión de potencia a la salida.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Communications.

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Tecnología del siglo XIX: los matices de las primeras fotografías se deben a nanoestructuras

El daguerrotipo, inventado por L. Daguerre (1787-1851) en el siglo XIX, fue uno de los primeros procesos que se dieron a conocer para producir imágenes fotográficas. Utilizaba placas de cobre recubiertas con plata pulida, que tratadas con vapores de I₂/Br₂formaba una capa superior de haluros de plata que, al ser expuesta a la luz, provocaba la formación de cúmulos de plata de 1 a 2 nm de diámetro. Luego, la capa resultante se trataba con vapor de mercurio dando como resultado una variedad de cristales de plata-mercurio de escala nanométrica. Cada nanocristal dispersaba un color que consistía en una combinación de tonos rojos y azules. En conjunto, la luz dispersada por los nanocristales formaba la imagen. 

Un equipo de científicos de la Universidad de Nuevo México analizó daguerrotipos usando modelado e imágenes microscópicas.  Descubrieron que la forma oblonga de las nanopartículas de plata-mercurio tiende a dispersar la luz azul a lo largo del eje vertical de la nanopartícula y la luz roja hacia afuera. Las nanopartículas de las fotografías antiguas dispersan una combinación de estos colores, creando los tonos característicos de la imagen. Los autores señalan que estos resultados pueden contribuir al desarrollo de las tecnologías de impresión que utilizan nanopartículas metálicas para formar imágenes a color. 

Los resultados fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)