La densidad como factor en el diseño de micro y nanomotores ultrasónicos

El progreso tecnológico busca ir a escalas cada vez más pequeñas y desarrollar dispositivos que puedan operarse a distancia en el interior del cuerpo humano. Los nanomotores propulsados por ultrasonido son un ejemplo de ellos. 

 

Científicos mexicanos de la UNAM en colaboración con investigadores de EUA diseñaron motores tipo Janus (del griego “que posee dos caras”) que consisten de una micropartícula recubierta en uno de sus hemisferios con una estructura de multicapas de alta densidad de espesor nanométrico. Al ser excitada con ultrasonido en medios líquidos, la asimetría en la distribución de densidades permite propulsar a la partícula debido a que ésta oscila y vibra, generando una corriente acústica a su alrededor. La intensidad de esta corriente está relacionada con la densidad del material, lo que hace que sea más intensa en una dirección, generando propulsión de la partícula.

 

Por otra parte, la estructura de multicapas incluyó un material magnético que permite orientar a la partícula, lo cual resultó en una propulsión más eficiente y permitió que fuera guiada a distancia. Sin embargo, el papel del material magnético no termina aquí. También permite que las partículas se muevan rodando sobre las superficies mediante la acción de campos magnéticos oscilatorios. 

 

Asimismo, cuando la capa externa es de platino, funciona como catalizador que descompone combustibles y propulsa al motor, logrando un diseño híbrido.

 

Este trabajo  incorpora  la densidad  como innovador criterio de diseño que abre las puertas a una nueva generación de  micro y nanomotores con diversas aplicaciones potenciales en biomedicina.

 

Mas información en: Advanced Functional Materials

 

 

  

Detector de gases con muy alta sensibilidad basado en capas ultradelgadas de platino

Los detectores de gases son transductores que, a su vez, son dispositivos que convierten una interacción fisicoquímica entre un material sensor y un gas en una señal eléctrica.  Ésta se puede detectar en las dos terminales de una resistencia de un circuito eléctrico. El grafeno ha revolucionado los sensores en la escala nano, pero es químicamente inerte y no es aplicable como detector de gases.

 

Un grupo de investigadores de Suecia y España descubrió la posibilidad de preparar una capa de platino de un solo átomo que puede ser usado como sensor químico. 

 

El depósito de capas eléctricamente continuas de Pt se realizó mediante la técnica de deposición física de vapores de Pt empleando un cañón de electrones. Películas de 3–4 Å de espesor se depositaron sobre un sustrato compuesto por una capa de carbono cero (también conocida como la capa amortiguadora) producida epitaxialmente  sobre carburo de silicio (SiC). La conductividad eléctrica de la capa metálica cambió notablemente cuando interactuó con el analito químico, debido a la transferencia de cargas hacia y desde el Pt. 

 

La fuerte interacción del Pt con especies químicas permite la fabricación de dispositivos quimiorresistores para la detección eléctrica de compuestos con límites de detección de menos de una parte por billón (ppb o partes por billón, en nuestro sistema métrico significa partes por millón de millones, distinto al sistema métrico inglés en el que ppb, parts per billion, significa partes por mil millones.) El sistema 2-D formado por Pt atómicamente delgado sobre la capa de carbono cero en SiC abre la posibilidad para la detección química resiliente y de alta sensibilidad y puede ser la ruta a seguir para diseñar nuevos catalizadores heterogéneos con actividad y selectividad incrementadas.

 

Los resultados se publicaron recientemente en la revista científica Advanced Material Interfaces.

 

Más información en Nanotechnology News.

Bionanotecnología en la agricultura

La creciente demanda alimentaria de la población mundial requiere de una agricultura sustentable. Con este fin, la bionanotecnología ha investigado nanopartículas (NPs) cuyas características fisicoquímicas contribuyen al crecimiento vegetal y a la tolerancia a las sequías. 

 

Investigadores de China presentaron una revisión de NPs aplicables a la agricultura. Destacan la eficacia de nanopartículas (NPs) de CeO₂ y C60 para mitigar el estrés oxidativo ocasionado por la salinidad del suelo y las temporadas de sequía. Estas nanopartículas actúan como nano-enzimas al eliminar las especies de oxígeno altamente reactivas (ROS, del inglés reactive oxygen species) ya que mimetizan la actividad catalítica de enzimas antioxidantes.

 

También reportan que las NPs de SiO₂, inducen la producción de compuestos fenólicos y otros antioxidantes que aumentan la resistencia de las plantas. Los nanofertilizantes proveen a los cultivos nutrientes esenciales: por ejemplo, el TiO₂ y el ZnO promueven el crecimiento y la acumulación de biomasa en los cultivos de frijol; el SiO₂ y el Fe₂O₃ incrementan el contenido de clorofila y la eficiencia de fotosíntesis en la planta; las NPs a base de molibdeno contribuyen a la fijación de nitrógeno, mientras que las de CeO₂ optimizan el transporte del Na⁺ desde la raíz hacia los tallos, promoviendo su crecimiento. Por su parte, las NPs de MgO confieren resistencia al estrés hídrico en las plantas de tomate. 

 

Por otra parte, los nanotubos de carbono de pared sencilla y múltiple, el óxido de grafeno y los fulerenos se utilizan como nano-pesticidas para el control de plagas y enfermedades causadas por microorganismos. 

 

Esta amplia revisión resalta los beneficios de la bionanotecnología para los cultivos y su contribución a la gran demanda de alimento. 

 

Mayor información: Journal of Agricultural and Food Chemistry of ACS

La detección óptica de resonancia magnética en nitruro de boro hexagonal se asocia a defectos asociados con vacancias de borde

 En 2016 se descubrió la emisión de un solo fotón (SPE, por sus siglas del inglés single photon emission) que se origina en defectos del nitruro de boro hexagonal (h-BN). Esto motivó investigaciones teóricas y experimentales con el fin de entender el origen de esta emisión. Recientemente, se ha reportado la detección óptica de resonancia magnética (ODMR, por sus siglas del inglés optically detected magnetic resonance) en el h-BN. 

 

En este trabajo un grupo internacional de investigadores estudió cómo varían las propiedades de los defectos dependiendo de su ubicación, ya sea que se localicen en el volumen del material o en un borde de la última capa. El modelo propuesto considera láminas periódicas de 1 o 2 dimensiones. Las estructuras en 1 dimensión consisten en una línea infinita de bordes de h-BN. 

 

Los resultados demuestran que las propiedades ópticas y magnéticas de los defectos sufren cambios considerables en función de su ubicación. Los cálculos para el estado base del espín y el espectro de fotoluminiscencia proveen evidencia de que las observaciones de ODMR para el h-BN se deben, en un caso,  a las vacancias de boro con signo negativo (V_B^-) ubicadas en el volumen de la lámina. Igualmente se explica otra observación de ODMR que puede deberse a una vacancia de nitrógeno con signo negativo (V_N^-) localizada en los bordes de los escalones del h-BN. 

 

El interés se orienta a la posibilidad de aprovechar la SPE para aplicaciones en nanofotónica, información cuántica y otras tecnologías. 

 

Para mayor información, consultar: Comunications Physics of Nature

Formación colosal de vacancias de oxígeno en las interfaces de superredes de CeO2/Y2O3

El control preciso de los defectos de oxígeno ha convertido a los óxidos conductores iónicos y electrónicos mixtos en componentes clave de diversas tecnologías, entre ellas, la conversión y generación de energía. 

 Un método que se explora actualmente para generar vacancias de oxígeno en materiales es el uso de interfaces iónicas. Investigadores estadounidenses, empleando la técnica de epitaxia por ablación laser, reportaron el crecimiento de agujas nanoestructuradas de superredes de CeO₂/Y₂O₃ con estructuras cristalinas de fluorita/bixbyita, respectivamente, con orientación [001] y dispuestas en una arquitectura que los autores denominaron nanocepillo (del inglés nanobrush). La arquitectura del nanocepillo, cuyas cerdas exhiben el patrón de Chevron, fue previamente diseñada para lograr vacancias de oxígeno interfacial de alta densidad. . El crecimiento de las columnas individuales se rige tanto por la agregación limitada por difusión, como por el efecto de sombra. La heterointerfaz entre las capas de fluorita y bixbyita, bien definida atómicamente por los planos (111), induce la modulación de carga entre los Y⁺³ y Ce⁺⁴ habilitada por el desacople de la valencia química entre los dos elementos y propicia la formación de un número colosal de vacancias de oxígeno. Los análisis estructural y químico, y los cálculos teóricos, sugieren que más del 10% de los átomos de oxígeno se eliminaron espontáneamente sin deteriorar la estructura reticular.

 

La arquitectura de nanocepillo de la fluorita-bixbyita proporciona una plataforma para el diseño de arquitecturas de óxido interfacial que posibilita la creación, el control, y el transporte con precisión de las vacancias de oxígeno y su introducción en el desarrollo de dispositivos ionotrónicos y memristivos para tecnologías avanzadas de energía y computación neuromórfica.

 

Los resultados se publicaron en Nature Cumminications.

 

Mas información en MRS Bulletin.

Ordenamiento dieléctrico de moléculas de agua dispuestas en una red dipolar

 

A lo largo de las últimas décadas se ha investigado si las moléculas de agua, con su fuerte momento dipolar de p₀ = 1.85 Debye, se pueden condensar adoptando un orden ferroeléctrico o antiferroeléctrico. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno intermoleculares interfieren con el orden (anti) ferroeléctrico de largo alcance del agua. 

 

Si las moléculas de H₂O se confinan en celdas nanométricas de un cristal dieléctrico, su ubicación en canales a una distancia de ~ 5 Å con una separación entre canales de ~ 10 Å evita la formación de enlaces de hidrógeno, mientras que las interacciones eléctricas dipolo-dipolo siguen siendo efectivas.

 

En este trabajo, un equipo internacional de investigadores reporta estudios experimentales y cálculos de primeros principios en cristales de cordierita hidratados, y concluyen que las moléculas de H₂O forman una red dipolar altamente ordenada a bajas temperaturas. Cuando las moléculas de agua son retenidas en canales anisotrópicos a nanoescala formados por la red iónica del cristal, experimentan una transición de fase ferroeléctrica del tipo de orden - desorden cerca de T₀ = 3 K.  Sus conclusiones se basan en la dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica, capacidad calorífica, corriente piroeléctrica y polarización. Los cálculos apuntan a que hay una interacción antiferroeléctrica de los dipolos moleculares de H₂O a lo largo del eje "c" del nanocanal, y una interacción ferroeléctrica en los planos "ab". Como resultado, la fase de baja temperatura se caracteriza por dominios ferroeléctricos planos,  con ordenamiento antiferro a lo largo de la dirección “c” de los nanocanales. 

 

Esta transición de fase polar tan esperada en un sistema de moléculas dipolares de agua acopladas a largo alcance, demuestra que los cristales dieléctricos con moléculas de agua confinadas en el interior de su enrejado cristalino proporcionan una plataforma para estudios de diferentes fases y transiciones de fase como contraparte eléctrica de los sistemas de momentos magnéticos.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications.

GeSb2Te4 compuesto de cambio de fase topológicamente no trivial

 

Recientemente se ha reportado un nuevo tipo de materiales que cambian reversiblemente entre una fase amorfa y una cristalina y se les denomina “materiales de cambio de fase” (PCM por sus siglas en inglés). Por esta razón, han llamado mucho la atención ya que sus propiedades ópticas y eléctricas son muy diferentes y contrastantes dependiendo de la fase en que se encuentren.

 

Un grupo de investigadores de Japón y Rusia  encontró  experimentalmente una fase cristalina del calcogenuro GeSb₂Te₄ topológicamente no trivial, vecina a la fase semimetal de Dirac, por medio de  espectroscopía de fotoemisión con resolución angular, de espín y temporal. Los resultados experimentales fueron  complementados con cálculos de primeros principios. 

 

Se encontraron bandas tipo-Dirac que cruzan el nivel de Fermi y que explican la conductividad en la fase cristalina estable de GeSb₂Te₄, que se considera un análogo 3D del grafeno. Este hallazgo brinda la posibilidad de producir las llamadas corrientes de Dirac libres de inercia (como si los electrones no tuvieran masa) en este tipo de materiales que cambian de fase. 

 

Las aplicaciones más interesantes se encuentran en el campo de los dispositivos de memoria, no-volátil y de alta velocidad, donde la información se puede escribir y reescribir varias veces.

 

Los resultados se publicaron en la revista ACS Nano

 

Más información en Nanotechnology News