Aplicación de polímeros conductores tipo n en baterías de iones de Li

 

En la actualidad, el uso de dispositivos electrónicos portátiles demanda baterías con mayores capacidades de almacenamiento y una vida útil más prolongada. Entre las diferentes ofertas en el mercado, sobresalen las baterías de iones de litio (LIBs por sus siglas en inglés) por sus altas capacidades de almacenamiento y vida útil, sin embargo, este tipo de dispositivos suele estar formado por materiales inorgánicos derivados de minerales limitados, lo cual genera un impacto negativo al medio ambiente. Debido a esto, se han desarrollado estudios orientados a buscar alternativas sostenibles y amigables con el medio ambiente.

Científicos de distintas universidades chinas desarrollaron baterías orgánicas de litio, utilizando un polímero conductor tipo n, la poli(benzodifurandiona) (PBFDO). La PBFDO presenta excelentes propiedades de transporte iónico y electrónico, alta conductividad eléctrica (>2000 S/cm), baja solubilidad en electrolitos líquidos y estabilidad estructural térmica hasta 200 °C. Construyeron cátodos de polímero con masa ultradensa de hasta 206 mg/cm2, alcanzando una capacidad específica de 42 mAh/cm2. Además, se fabricaron celdas tipo pouch de litio-orgánico de 2.5 Ah con una densidad energética de 255 Wh/kg, comparable con las baterías comerciales de iones de litio. Los resultados muestran apilamientos tipo π-π de los planos (010) con distancias interplanares de 0.34 nm y apilamientos laminares de los planos (100) con distancias interplanares de 1.04 nm. En tales apilamientos se forman canales con gran cantidad de grupos carbonato, a los cuales se les atribuye el transporte eficiente de Li. Estas celdas demostraron estabilidad en ciclos, resistencia a la penetración de clavos sin explosión ni fuego, y un rendimiento eficiente en un rango de temperaturas extremas (-70 °C a 80 °C).

También se destacó la flexibilidad de los cátodos de PBFDO, lo que los hace ideales para aplicaciones en electrónica portátil. Además, se investigó el mecanismo de almacenamiento de energía de la PBFDO, y demostraron que los grupos carbonilo actúan como sitios activos para el almacenamiento de iones de litio.

Este trabajo abre la puerta al uso de polímeros conductores tipo n como electrodos en LIBs, pues el tipo de portadores de carga (electrones) mantiene el equilibrio de cargas cuando el Li(+1) se inserta en el electrodo, en comparación con los polímeros conductores tipo p cuyo tipo de portadores (huecos) hace difícil el equilibrio de cargas.

Mas información en: NATURE

Consolidación del enyesado de pinturas murales antiguas con nanopartículas de cal

 

Tratamiento de la capa de enyesado de una pintura mural con NC

a) Rociado de la dispersión de NC sobre el enyesado de la pintura mural.

b) Rociado de agua desionizada sobre la superficie 10 min después de la aplicación de la dispersión de NC.

c) Capa de enyesado de la pintura mural, con NC rociada para consolidar las muestras 1, 2 y 3.

d) Capa de enyesado de la pintura mural después de la consolidación.

e), f), g) Muestras 1, 2 y 3 antes de la consolidación, respectivamente.

h), i), j) Muestras 1, 2 y 3 después de la consolidación, respectivamente.

k) Capa de pigmento de la pintura mural correspondiente a las muestras 1, 2 y 3.

El pigmento de muchas pinturas murales antiguas reposa sobre una capa de cal y arcilla, conocida como enyesado, que se deteriora con el envejecimiento, lo que conduce a que disminuya su resistencia mecánica. Un equipo de investigadores de China y España estudió métodos para fortalecer la capa de enyesado utilizando nanopartículas de cal (NC), una dispersión de nanopartículas de hidróxido de calcio. Las NCs superan las limitaciones de otros consolidantes, como los orgánicos o las resinas acrílicas, que reducen las propiedades de transpiración del material y, con el tiempo, generan nuevos problemas asociados al envejecimiento. 

Los investigadores desarrollaron un procedimiento de síntesis para producir NCs con tamaño y morfología homogéneas empleando diferentes aditivos, tratamiento ultrasónico y centrifugación. Como resultado, obtuvieron nanopartículas de aproximadamente 40 nm de diámetro, marcadamente más pequeño que los 180 nm obtenidos sin usar la centrifugación. Una dispersión de nanocal en etanol se roció con un atomizador sobre las capas de enyesado de fragmentos de una pintura mural china, que posteriormente se rociaron con agua para acelerar la consolidación del enyesado. 

Los resultados mostraron que la nanocal seleccionada penetró a una profundidad de 1.2–3.5 mm y la dureza superficial de la capa aumentó aproximadamente en 56%. La porosidad disminuyó de manera mínima (alrededor de un 5.9%); se observó un ligero desplazamiento hacia poros de menor tamaño, lo que evidenció un relleno eficaz de la estructura. El análisis microestructural confirmó la densificación de las capas superficiales tras la consolidación. No se observó blanqueamiento de la capa de pigmento de la superficie del enyesado. 

Los autores concluyeron que la nanocal seleccionada por tamaño de partícula ofrece una consolidación de alta calidad del enyesado de las pinturas murales y puede servir como alternativa metodológica para una aplicación más amplia en la conservación del patrimonio cultural, incluyendo a las obras desprendidas de su soporte original y conservadas en museos.

Artículo publicado en: JOURNAL OF CULTURAL HERITAGE

Puntos cuánticos de carbono con fotoluminiscencia aumentada derivados de residuos de tereftalato de polietileno

 

Los puntos cuánticos de carbono (CDs, por sus siglas del inglés carbon dots) son nanopartículas de carbono fotoluminiscentes, con tamaños menores a 10 nm, que han adquirido gran relevancia en la nanotecnología debido a su estabilidad química, bajo costo de producción, biocompatibilidad y propiedades ópticas ajustables. Gracias a estas características, los CDs se utilizan en campos como: bioimagenología, sensores, optoelectrónica y catálisis. Un aspecto especialmente atractivo es que pueden obtenerse a partir de residuos, lo que los convierte en materiales funcionales alineados con la economía circular.

En un trabajo reciente, un grupo de investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, reportó la transformación de desechos de tereftalato de polietileno (PET) en CDs altamente luminiscentes. En estudios previos, el PET se utilizó en forma de fragmentos grandes de botellas trituradas, lo que provoca transferencia de calor y difusión química no uniforme durante la síntesis. La idea central del presente trabajo es que el tamaño del precursor polimérico juega un papel clave en la calidad final del nanomaterial.

En este estudio, los autores emplearon PET micronizado (M-PET), es decir, PET pulverizado en partículas micrométricas, y lo compararon directamente con PET cortado en fragmentos (C-PET). Analizaron dos rutas químicas: la oxidación superficial con peróxido de hidrógeno y el dopado con nitrógeno utilizando etilendiamina. Este diseño experimental permitió entender que el tamaño del precursor y la funcionalización superficial afectan las propiedades estructurales y ópticas de los CDs. 

Adicionalmente, se evaluó la biocompatibilidad e internalización celular de los CDs utilizando macrófagos y células epiteliales.

Los resultados mostraron que los CDs derivados de M-PET son más pequeños, más cristalinos y considerablemente más brillantes. En particular, los CDs oxidados a partir de M-PET alcanzan un rendimiento cuántico cercano al 52 %, aproximadamente 2.4 veces mayor que los obtenidos con C-PET. Además, presentan emisión fotoluminiscente a diferentes longitudes de onda de excitación entre 260 y 380 nm, lo que indica una estructura más homogénea y menos defectos electrónicos. Por otro lado, los CDs dopados con nitrógeno mostraron una emisión adicional en el infrarrojo cercano y una fluorescencia dependiente de la excitación, aunque presentaron mayor citotoxicidad en células epiteliales. Es importante hacer notar que ambos tipos de partículas fueron sensibles a cambios en el pH, una característica crucial para aplicaciones en ambientes biológicos en donde el pH puede variar.

Este estudio demuestra que tanto la ingeniería del precursor como la química de síntesis son importantes. Micronizar el PET aumenta de forma significativa el desempeño óptico de los CDs sin recurrir a procesos agresivos o poco sostenibles.

Para mayores detalles consultar: Carbon

 

Observación en el espacio real del acoplamiento ultrafuerte entre fonones ópticos y polaritones plasmónicos de superficie

 

Las propiedades físicas y químicas de átomos y moléculas dependen de sus niveles de energía.

Si se logran controlar estos niveles, es posible modificar las propiedades de los materiales, lo

que tiene aplicaciones importantes en la ciencia de materiales, la química y la fotónica.

Un enfoque moderno para lograr este control se basa en el acoplamiento fuerte y ultrafuerte

entre la luz y la materia. En este régimen, la energía se intercambia de manera coherente entre

ambos sistemas, dando lugar a oscilaciones de Rabi y a la formación de estados híbridos luz-

materia, llamados polaritones. En este proceso pueden intervenir distintas excitaciones

producto de la interacción luz-materia, como excitones, plasmones, fonones y vibraciones

moleculares.

En este trabajo, investigadores de España y Francia presentan una técnica nanoespectroscópica

basada en espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier a nanoescala (nano-FTIR).

Esta técnica permite mapear espacialmente el acoplamiento ultrafuerte vibracional entre los

fonones ópticos de una capa delgada de SiC y los polaritones plasmónicos de superficie de un

sustrato semiconductor de InAs.

Este acoplamiento ultrafuerte, que se produce cuando un sistema es fotoexcitado, ocurre

para muchos valores del vector de onda y da lugar a numerosos modos híbridos (mezclas

de luz y materia). En particular, cuando la luz se acopla a vibraciones moleculares o

a vibraciones de la red cristalina (fonones), se ha observado que la reactividad química

puede cambiar. Esto facilita el estudio de la química polaritónica, en la que la luz modifica

el comportamiento de los sistemas materiales, e incluso puede dar lugar a transiciones de

fase predichas teóricamente que son inducidas por acoplamientos fuerte y ultrafuerte.

Estos resultados son relevantes para diversas aplicaciones, como sensores ultrasensibles,

óptica no lineal y tecnologías cuánticas.

Para más información ver: Nature materials

Excitones electrogenerados para controlar la electroluminiscencia de lantánidos

 

En la actualidad, la fuente de iluminación más frecuente proviene de alguno de los dispositivos fotónicos modernos  basados en la tecnología de los diodos emisores de luz (LED), que convierten la energía eléctrica en fotones por medio del fenómeno de la electroluminiscencia (EL) de ciertos materiales. Aun cuando se han logrado grandes avances tecnológicos, mejorar los LEDs para lograr una paleta de colores más amplia, con colores más intensos y vivos, aumentar el tiempo de vida útil y lograr una producción optimizada empleando materiales convencionales se ha convertido en un reto. Una estrategia actual se basa en el empleo de nanopartículas aislantes que contienen iones del grupo de los lantánidos. Como muestra la tabla periódica, este grupo contiene 14 elementos químicos desde el lantano al iterbio. 

Los nanocristales dopados con lantánidos ofrecen un enfoque fundamentalmente distinto de la ingeniería de EL. Las transiciones 4f–4f de los lantánidos producen líneas de emisión estrechas (<10 nm de ancho de banda), con estabilidad fotoquímica y térmica, largos tiempos de vida del estado excitado y emisión insensible a defectos, todo lo cual resulta ventajoso para un funcionamiento EL espectralmente preciso y estable. 

Sin embargo, la naturaleza aislante de los nanocristales plantea un desafío para el transporte e inyección de portadores, lo que dificulta su aplicación en dispositivos optoelectrónicos accionados eléctricamente. 

Investigadores de China y Singapur demostraron una EL eficiente a partir de nanocristales aislantes (4 nm) del compuesto NaGdF4:X dopado con X = Tb3+, Eu3+ o Nd3+, recubiertos con una serie de ácidos 2-(difenilfosforil) benzoicos funcionalizados (ArPPOA). Estos ligandos, compuestos de óxido de fosfina con sitios de coordinación de carboxilos y P=O, presentan carácter híbrido de donador y aceptor, que sensibiliza eficazmente la luminiscencia de los nanocristales de lantánidos al modular la transferencia de carga entre los ligandos. Investigaciones mediante espectroscopías  ultrarrápidas revelaron que el fuerte acoplamiento entre ArPPOA y los nanocristales de lantánidos facilita el intercambio intersistema menor a 1 ns y una transferencia de energía de triplete a los nanocristales altamente eficiente (hasta un 96,7%). Mediante un control minucioso de la composición y concentración de dopantes en los nanocristales, los investigadores lograron una EL multicolor de amplio rango sin alterar la arquitectura del dispositivo, alcanzando una eficiencia cuántica externa superior al 5,9 % para Tb3+. 

Esta plataforma de nanocristales funcionalizados proporciona una estrategia modular para el control de excitones (par electrón-hueco) en sistemas de nanocristales aislantes, ofreciendo una vía para obtener materiales electroluminiscentes con espectros de emisión precisos. 

Este trabajo fue publicado en Nature

Más información en el artículo Nature