Cambios de color, composición química y morfología de agregados de nanopartículas de plata para detectar la calidad del aire en diversos ambientes

 

La contaminación ambiental es un problema grave en todo el mundo. Entre los contaminantes del aire están el óxido nitroso (NOx), causante de la formación de ozono y de la lluvia ácida,  y compuestos como los óxidos de azufre (SOx) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S), responsables de diversas enfermedades respiratorias. 

 

Un grupo de investigadores de Japón presentó un arreglo de nanopartículas de plata (NPs de Ag) como monitor de contaminantes ambientales.

 

Las NPs de Ag recién sintetizadas y dispersas sobre un sustrato transparente de sílica (SiO₂) exhiben una intensa banda de extinción debido a resonancias localizadas de plasmones de supercie (LSPR, por sus siglas en inglés) en el rango visible del espectro óptico. Después de mantener las NPs de Ag en condiciones ambientales durante varias semanas, la intensidad de esta banda disminuyó. Dependiendo del ambiente en que se colocaron las NPs de Ag, se registró la razón de cambio de la intensidad y el corrimiento de la longitud de onda de las LSPR.

 

Además de un cambio visible en el color, se observaron cambios en la composición química y morfología de las NPs. Se detectó la incorporación de cloro (Cl) y azufre (S) y un engrosamiento de las NPs cuando se colocaron cerca de un ventilador. Por otra parte, en un desecador hecho de acero inoxidable, se observó un corrimiento del LSPR hacia un color azul más intenso debido a la incorporación de compuestos de cianuro (CN) y/o cianuro de hidrógeno (HCN), además de una mayor rugosidad.

 

Las NPs de Ag/SiO₂ constituyen un material promisorio para verificar la calidad del aire, monitoreando gases nocivos que se pueden acumular en el cuerpo humano.

 

Los resultados fueron publicados en Nanomaterials

Ingeniería neuromórfica: conmutación óptica de baja energía a temperatura ambiente en heterouniones de nanocristales de perovskita y nanotubos de carbono

 

Las tecnologías de memoria optoelectrónica y los interruptores ópticos podrían reemplazar los ya tradicionales interruptores resistivos estimulados eléctricamente. Los cambios de la conductancia debido a la excitación por fotones de larga duración en materiales de estado sólido, permiten el desarrollo de circuitos integrados de memoria óptica y así el procesamiento de la información inspirado en el funcionamiento de las redes neuronales del cerebro configurables dinámicamente (ingeniería neuromórfica).

 

En la actualidad, continúa siendo un desafío realizar la conmutación óptica con bajo consumo de energía, para la cual la sinapsis óptica requiere la conmutación con pulsos de baja energía (acercándose a la escala del cerebro de ~ 1 a 100 femtoJ por evento), operación a temperatura ambiente con voltajes de operación bajos y estrategias fáciles para la modulación analógica.

 

Investigadores de Estados Unidos fabricaron heterouniones entre nanocristales de perovskita de haluro metálico (NC) y nanotubos de carbono semiconductores de pared simple (SWCNT). Demostraron que las heteroestructuras NC/SWCNT despliegan una fotoconductividad persistente a temperatura ambiente, de larga duración (miles de segundos) que puede ser escrita y borrada. La conmutación óptica y las funciones neuromórficas básicas se pueden estimular a voltajes bajos con energías de femto a pico-joules por evento de picos. Además, encontraron que el comportamiento de la fotoconductividad en la interfaz NC/SWCNT surge de la migración de iones dentro de la matriz de nanocristales controlada por campo eléctrico.

 

Estos sistemas son candidatos potenciales para sinapsis fotónicas estimuladas y leídas en el dominio óptico. La capacidad demostrada de sintonización de la fotoconductividad persistente es prometedora para la computación neuromórfica y otras tecnologías que utilizan la memoria óptica.

 

Los resultados fueron publicados en Science Advances

Nanopartículas de óxidos denarios como catalizadores altamente estables para la combustión de metano

 

Las nanopartículas de óxidos que contienen varios elementos se estudian ampliamente para su  aplicación en catálisis. En la actualidad, las nanopartículas de óxidos suelen estar limitadas a unos cuantos cationes, debido a  que la mezcla de múltiples elementos conduce a la segregación y a la producción de sustancias multifásicas.

 

Un equipo internacional de científicos propuso una manera de sintetizar nanopartículas monofásicas de óxido de múltiples elementos con composición, tamaño y estructura controlados. Los autores realizaron la síntesis mediante calentamiento a temperaturas altas obtenidas por efecto Joule. Mezclaron soluciones de sales metálicas que se aplicaron a sustratos de fibras de carbono, las cuales se pegaron a electrodos y se conectaron a una fuente de corriente. Al pasar diferentes corrientes a través de los electrodos, se logró un calentamiento rápido (de 10 a 500 milisegundos) a temperaturas de hasta mil quinientos grados Celsius que promovió la descomposición de las sales y la formación de nanopartículas de los óxidos deseados, sin aglomeración. En el caso de metales más activos y fácilmente oxidables (como Ca, Mg y Mn), este tratamiento fue suficiente para formar nanopartículas de óxidos multimetálicos. Para metales menos activos (como Cu, Ni y Pd) se requirieron cambios en la presión parcial de oxígeno.

 

Esta metodología permitió la mezcla de átomos con potenciales de oxidación muy diferentes (incluido el paladio), ampliando significativamente la variación en la composición. Así, se obtuvieron nanopartículas que contienen simultáneamente hasta diez metales diferentes (óxidos denarios). Se demostró que, con el catalizador de nanopartículas de óxidos denarios, se logra la combustión catalítica de metano a 400 grados Celsius, y la eficiencia del catalizador permanece sin cambios durante cien horas.

 

El método propuesto permite crear materiales multielemento para obtener catalizadores altamente estables.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Catalysis

Nanobiorreactor multifuncional retroalimentado por óxido nítrico, para el tratamiento del cáncer

El tratamiento del cáncer con quimioterapia tiene la limitante de que algunas células tumorales pueden desarrollar resistencia múltiple a fármacos anticancerígenos. Esta resistencia se ha relacionado con la sobreexpresión en la membrana celular de proteínas transportadoras de fármacos, como la glicoproteína P (P-gp), que, a su vez, es inhibida por el gas óxido nítrico (NO).  

Investigadores de China sintetizaron un nanobiorreactor multifuncional  que consiste en  micelas cargadas con el fármaco anticancerígeno doxorrubucina (DOX), recubiertas con el amino ácido L-arginina (L-Arg) (precursor del gas NO) y con la enzima glucosa oxidasa (GOx) (catalizador), unidas mediante un enlace disulfuro. A este nanobiorreactor se le denominó micela-DOX-Arg-GOx. 

 

Dentro de la célula tumoral se liberan la DOX y la L-Arg por la acción de glutatión intracelular. La L-Arg induce la producción de NO, lo que inhibe a la proteína P-gp y favorece el efecto del fármaco DOX. Por otro lado, la enzima GOx cataliza la producción de peróxido de hidrógeno (H₂O₂) a partir de glucosa, lo que incrementa la producción de NO y permite que se inicie un nuevo ciclo de actividad citotóxica. 

 

La acción terapéutica de la micela-DOX-Arg-GOx está retroalimentada por la producción del NO. Al ser un gas, el NO es permeable para las células, lo que aumenta su actividad catalítica en comparación con otros nanobiorreactores cuyo sustrato no es tan permeable. En un modelo animal de cáncer, la administración intravenosa de la micela-DOX-Arg-GOx tuvo efectos terapéuticos al disminuir en 12 días el volumen del tumor sin afectar otros parámetros fisiológicos de los animales. 

 

La generación de nanobiorreactores multifuncionales sinérgicos que combinen la quimioterapia con moléculas biológicas altamente reactivas y se retroalimenten a partir de la producción de gases abre nuevas posibilidades para la nanomedicina.

 

Los resultados fueron publicados recientemente en Chinese Chemical Letters

Anisotropía en el plano de las propiedades ópticas y mecánicas de MoO3 bidimensional

 

Actualmente, entre los materiales bidimensionales de interés destacan los que presentan propiedades anisotrópicas en el plano. Muchas de las propiedades anisotrópicas provienen del índice de refracción y de las constantes de elasticidad del material. Entre estos materiales están los calcogenuros de metales de transición y compuestos bimetálicos, como el fósforo negro, que consisten de elementos del grupo V. 

 

Un material de especial interés es el trióxido de molibdeno MoO₃. Se trata de un semiconductor con banda prohibida ancha (2.7 eV) que le permite ser casi transparente al espectro visible al mismo tiempo que mantiene su conductividad eléctrica. Sin embargo, las propiedades anisotrópicas del MoO₃ no se habían analizado exhaustivamente. 

 

En este trabajo, investigadores españoles presentan resultados experimentales y cálculos empleando la teoría del funcional de la densidad electrónica para determinar la dependencia direccional del índice de refracción (birrefringencia) y el módulo de Young de hojas de MoO₃ obtenidas por exfoliación, que son determinantes en las anisotropías observadas por espectroscopía Raman, experimentos de interacción fonón-polaritón, microscopía electrónica de transmisión y barrido con aberración corregida y espectroscopía de rayos X dispersados.

 

El MoO₃ tiene aplicaciones optoelectrónicas y en electrónica flexible y ha sido probado como sensor de gases, memoria resistiva y en electrocromismo. Finalmente, las diferencias entre los parámetros de la red en el plano (a-c) hacen del α- MoO₃ una plataforma perfecta para estudiar la anisotropía en el plano de sus propiedades ópticas, mecánicas y eléctricas.

 

Los resultados se publicaron en npj 2D Materials and Applications

Superparamagnetismo cuántico en nano-monodominios que interactúan entre sí

 

El superparamagnetismo (SP) es un efecto del tamaño nanométrico: ocurre cuando el tamaño de los monodominios ferromagnéticos es menor a cierto valor y para el cual la magnetización en el interior del dominio fluctúa aleatoriamente. El comportamiento SP se aplica al desarrollo de materiales termoeléctricos de alto desempeño, dispositivos magnetoeléctricos y, en el área biomédica, en la hipertermia magnética utilizada para el tratamiento del cáncer, entre muchos otros.

 

La magnetización total de un sistema SP disminuye por debajo de la temperatura de bloqueo T_B. Si el tamaño de los monodominios es menor a cierto valor crítico ocurre el fenómeno del superparamagnetismo cuántico (QSP, del inglés quantum superparamagnetism). En el estado QSP, reportado previamente solo en nanopartículas ultra-pequeñas aisladas entre sí, la magnetización total vuelve a incrementar su valor por debajo de cierta temperatura crítica T_Cr.

 

Investigadores del CNyN-UNAM reportaron la presencia de QSP en partículas nanoestructuradas de BiFeO₃dopado con Er (Bi_1-xEr_xFeO₃ con 0.0 < x < 0.12). El análisis de la variación de la magnetización con la temperatura para x = 0.04 y 0.08, empleando los regímenes de enfriamiento sin campo magnético y con campo magnético aplicado, revela un comportamiento SP a temperatura ambiente, mientras que a temperaturas criogénicas ocurre una transición de fase magnética a T_Cr del estado SP-bloqueado a un estado QSP desbloqueado. 

 

Demostraron que el desbloqueo ocurre mediante el tunelamiento cuántico de la magnetización, regulado por la interacción entre los momentos magnéticos de ambos lados de las fronteras de los nano-monodominios cuyas superficies tienen estructura tipo vidrio de espín.

 

Este nuevo fenómeno QSP, observado en monodominios que interactúan entre sí, abre el camino para el desarrollo de nuevos dispositivos para la computación cuántica.

 

Los resultados se publicaron recientemente en Journal of Physical Chemestry C

Sílice mesoporosa magnética (Fе-MCM-41-A) como adsorbente de antibióticos: rendimiento, cinética y mecanismo

En años recientes, la contaminación por antibióticos de aguas residuales industriales se ha incrementado, así como de cuerpos de agua dedicados a la acuicultura. Debido a su impacto en el medio ambiente y la salud, la eliminación de antibióticos del agua es un problema que requiere solución. 

Un equipo de científicos chinos depositó nanopartículas magnéticas de hierro sobre sílice mesoporosa (Fe-MCM-41-A), y aplicó el material resultante para la adsorción de oxitetraciclina (OTC) a partir de una solución acuosa. Estudiaron los efectos de los iones competidores, como Na⁺, Ca²⁺ y Cu²⁺ en el proceso de adsorción a diferentes pH.

 

Por microscopía electrónica de transmisión del material sintetizado se demostró que el adsorbente Fe-MCM-41-A tiene canales hexagonales que facilitan la transferencia de masa durante la adsorción. La adsorción de OTC al Fe-MCM-41-A ocurre rápidamente y su capacidad máxima de adsorción es de 625.90 mg g⁻¹. Las nanopartículas de hierro soportadas tienen propiedades magnéticas y, por lo tanto, después de la reacción, se puede separar al adsorbente de la solución mediante la acción de un campo magnético.

 

La reacción entre la OTC y las nanoparticulas de Fe-MCM-41-A ocurre mediante la formación de complejos en la superficie interna. La presencia del ion Na⁺ no tuvo un efecto significativo. El efecto promocional del Ca²⁺ en la adsorción fue bajo en condiciones ácidas y neutrales, pero aumentó a mayor pH. El Cu²⁺ siempre redujo la eficiencia de eliminación de la OTC.

 

Los autores ofrecen un modelo de adsorción de la OTC al Fe-MCM-41-A que incluye complejos de superficie, intercambio iónico, enlace-π –catiónico, enlace de hidrógeno y la hidrofobicidad del material.

 

Los resultados se publicaron recientemente en Scientific Reports