Uniones de efecto túnel formadas por defectos de superficie a escala atómica que se comportan como picoantenas

 

La manipulación de la luz a una escala inferior a su longitud de onda se logra mediante el confinamiento de campos electromagnéticos extremadamente grandes en nanoestructuras metálicas, que a su vez permiten resonancias localizadas de plasmones de superficie. 

Este es un tema de interés actual ya que los fluoróforos acoplados con las resonancias localizadas de plasmones de superficie emiten la luz de modo direccional. 

Por otra parte, las picocavidades plasmónicas (cavidades con un volumen inferior a 1 nm3 ) también pueden funcionar como antenas amplificadoras debido al confinamiento de un campo electromagnético extremadamente grande. Sin embargo, la dirección de sus emisiones de luz es difícil de controlar. 

En este trabajo, un equipo de investigadores de España demostró que la picocavidad que se forma entre la punta de oro de un microscopio de efecto túnel y una superficie de plata (1,1,1) con escalones monoatómicos produce perfiles de emisión direccional que demuestran la formación de picoantenas. Esta observación fue corroborada por cálculos de teoría electromagnética que mostraron que la direccionalidad de las emisiones se debe a la reconstrucción e inclinación de la superficie inducida por la interacción entre la punta del microscopio y un escalón de altura monoatómica. 

Estos resultados señalan nuevas rutas de investigación hacia dispositivos picofotónicos con estructuras texturizadas a escala atómica. Este comportamiento altamente anisotrópico podría resultar útil en campos asociados con sensores, información cuántica, almacenamiento de energía, entre otros.

Más información en:Science Advances

Mecanismos de rotación de los granos en materiales nanocristalinos

 

Un material policristalino es un agregado rígido de cristalitos o “granos” monocristalinos con diferentes orientaciones cristalográficas. Sin embargo, los granos en este sólido rígido experimentan rotaciones durante la evolución de la microestructura. 

La rotación de los granos en condiciones casi rígidas se ha observado ampliamente en materiales nanocristalinos durante la recristalización, la deformación plástica y el crecimiento de los granos; afectando la cinética de crecimiento de los granos y la evolución de la textura cristalográfica.

Esta rotación de granos se ha descrito en términos de varios procesos mediados por las fronteras de grano (GB, del inglés grain boundary), tales como el escalado de dislocaciones de las GBs, su difusión, su deslizamiento y su migración acoplada a esfuerzos de cizalladura, entre otros. A pesar de décadas de investigación, los mecanismos dominantes que subyacen a la rotación de granos siguen siendo enigmáticos. 

Un grupo internacional de investigadores de Estados Unidos, Hong Kong, Alemania y Colombia, empleando películas delgadas de platino, presentaron evidencia directa de que la rotación de granos ocurre a través del movimiento de desconexiones (defectos lineales con características de escalón y dislocación) a lo largo de las GBs. Las películas de platino de 10 nm de espesor fueron obtenidas por erosión iónica con magnetrón sobre sustratos cristalinos de NaCl, posteriormente removidos empleando agua.

Mediante observaciones in situ, empleando la técnica de vanguardia de microscopía electrónica de transmisión de barrido en cuatro dimensiones (4D-STEM, del inglés four-dimensional scanning transmission electron microscopy), revelan la correlación estadística entre la rotación de los granos y el crecimiento o contracción de los mismos. Encuentran que la causa de las rotaciones se debe a la migración de las GBs acopladas a deformaciones de cizalladura que se establecen a través del movimiento de desconexiones. Tal mecanismo es corroborado por observaciones in situ empleando la técnica STEM de campo oscuro anular de ángulo ancho y el análisis asistido mediante simulación de dinámica molecular.

Estos hallazgos brindan información cuantitativa sobre la dinámica estructural de los materiales nanocristalinos, de importancia para mejorar la ingeniería y el diseño en sus aplicaciones tecnológicas.

Más información en Science

Primera evidencia experimental de un enlace C-C de un solo electrón

 

En un enlace covalente, dos átomos comparten un par de electrones y así se forma la gran mayoría de los compuestos orgánicos. El concepto de compartir electrones en un enlace fue  introducido por Gilbert Newton Lewis hace más de un siglo, y en 1919, Irving Langmuir acuñó el término “enlace covalente”.

En 1931, Linus Pauling propuso la idea de un enlace covalente formado por un solo electrón compartido entre dos átomos, conocido como “enlace σ de un solo electrón”. Sin embargo, hasta ahora, no se había encontrado evidencia experimental de este tipo de enlaces.

Recientemente, científicos de la Universidad de Hokkaido, Japón, presentaron la primera evidencia experimental de un enlace σ de un solo electrón entre dos átomos de carbono. Para lograrlo, utilizaron una molécula derivada del hexafeniletano (HFE) la cual contiene dos unidades de espiro-dibenzocicloheptatrieno (DBCHT). La geometría de esta molécula produce un enlace sencillo C-C super elongado (1.8 Å), un factor clave para la formación de los enlaces de un solo electrón. La molécula se sometió a un proceso de oxidación con yodo para propiciar los enlaces σ de un solo electrón. 

Mediante difracción de rayos X y espectroscopia Raman, los investigadores caracterizaron el material  y encontraron una distancia de enlace de 2.92 Å entre los átomos de carbono. Dichos resultados fueron corroborados mediante simulaciones computacionales basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT), demostrando así la existencia inequívoca de enlaces σ de un solo electrón entre átomos de carbono, una propuesta de hace casi un siglo.

Se espera que este hallazgo allane el camino para un mayor desarrollo de diferentes áreas de la química, permitiendo una investigación más profunda del límite entre estados enlazados y no enlazados.

Mas información en:

Nature

La nanotecnología desde la Prehistoria a la Edad Moderna

 

La nanotecnología, aunque hoy en día sea sinónimo de innovación y vanguardia, tiene raíces sorprendentemente antiguas. Si bien su desarrollo intensivo ha ocurrido en las últimas décadas, la manipulación empírica de la materia a escala nanométrica ha sido una práctica ancestral. 

En esta revisión histórica, investigadores de la India y Gran Bretaña exploran la evolución de los nanomateriales, y ofrecen una amplia panorámica del desarrollo de estos nanomateriales desde sus orígenes naturales hasta su síntesis deliberada. 

Profundizan en que civilizaciones antiguas, como la india, la china y la tibetana, empleaban métodos de trituración y molienda para obtener compuestos con propiedades únicas que se utilizaban en la preparación de medicamentos, anticipándose a lo que hoy conocemos como activación mecanoquímica.

La artesanía y el arte también ofrecen evidencias del uso ancestral de nanomateriales. La copa de Licurgo es una pieza romana de bronce y vidrio fabricada hace más de 1500 años. Cuando se ilumina desde atrás, el vidrio  presenta un tono rubí y al iluminarla de frente, es verde. Esto se debe a que el vidrio contiene dispersas nanopartículas de oro y plata de aproximadamente 70 nm. 

Asimismo, en los vitrales de iglesias y catedrales góticas, se utilizaron nanopartículas de óxidos metálicos para lograr colores del vidrio únicos. Los secretos nanométricos de este efecto seguramente no eran comprendidos por sus fabricantes; sin embargo, sí sabían muy bien las proporciones adecuadas de sales que se requerían poner en el vidrio fundido para obtener la amplia gama de intensos colores que hoy podemos apreciar en esos vitrales. 

En Mesoamérica, el azul maya, un color utilizado en los murales de la zona de donde toma el nombre, es un material nanoestructurado que consiste en el pigmento índigo disperso en nanoporos del mineral arcilloso palygorskita. Otro ejemplo de la Antigüedad es el acero que se producía en la zona de Damasco en Siria, y que estaba reforzado con nanotubos de carbono. Lo que demuestra que culturas antiguas empíricamente lograron propiedades extraordinarias a través de la manipulación de la materia a escala nanométrica.

Estos ejemplos muestran que la nanotecnología no es un fenómeno reciente, sino que ha existido a lo largo de la historia de la humanidad. La necesidad de crear materiales con mejores propiedades ha impulsado a las civilizaciones a explorar y dominar las técnicas para manipular la materia a nivel atómico y molecular. 

Esta revisión invita a reflexionar sobre cómo el conocimiento ancestral puede inspirar nuevas investigaciones y aplicaciones en el campo de la nanotecnología.

Más información en ES Gen

Diseño de nanovehículos de polietilenglicol en forma de escobilla para atravesar el epitelio de las vías respiratorias humanas

  

 

La administración de medicamentos por vía pulmonar es crucial en el tratamiento de enfermedades respiratorias; sin embargo, la superficie pulmonar se encuentra recubierta por moco (un hidrogel viscoso, elástico y pegajoso) que atrapa partículas y patógenos inhalados. El moco está separado del epitelio pulmonar por una capa periciliar, que proporciona un ambiente favorable para el movimiento de los cilios y la lubricación de la superficie celular. Junto con los objetos atrapados, el moco es transportado fuera del pulmón por el movimiento coordinado de los cilios. Aunque es esencial para mantener la salud respiratoria, este proceso de limpieza mucociliar también impide la administración y retención eficiente de fármacos dentro de las vías respiratorias.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Virginia desarrolló un  nanovehículo de polietilenglicol (PEG) en forma de escobilla de laboratorio, denominado PEG-BB, cuya estructura consiste en un esqueleto lineal densamente ramificado con aproximadamente 1,000 cadenas de PEG de bajo peso molecular. Estos nanovehículos con diámetro hidrodinámico de ~40 nm han demostrado ser adecuados para  penetrar el epitelio de las vías respiratorias humanas mediante la endocitosis. 

Se evaluó  la captación de PEG-BB en células epiteliales bronquiales humanas (HBECs) y fibroblastos NIH-3T3, utilizando microscopía confocal.  Se encontró que el PEG-BB se internaliza rápidamente desde ambos lados de la capa epitelial. Además, se observó que los nanovehículos se retienen eficazmente en las células, lo que sugiere su potencial como portadores de fármacos de liberación sostenida.

Estos resultados no solo mejoran la comprensión de las interacciones entre nanopartículas y células, sino que también abren nuevas vías para el desarrollo de tratamientos más efectivos en enfermedades respiratorias. Los autores planean realizar estudios in vitro e in vivo en modelos murinos para explorar su aplicación clínica.

Para mayores detalles consultar:ACS Nano