Barrido ultrasónico in vivo de fuentes de luz

 

Los avances tecnológicos para interactuar con tejidos biológicos aún presentan limitaciones importantes. En particular, suele ser necesario elegir entre obtener imágenes con alta resolución espacio-temporal o utilizar sistemas flexibles para explorar distintas regiones del cuerpo. Los dispositivos implantables ofrecen precisión a nivel celular, pero son invasivos y solo funcionan en sitios muy específicos, lo que los hace poco adecuados para estudiar procesos dinámicos o distribuidos en múltiples regiones.

En este trabajo, investigadores de la Universidad de Stanford (EUA) desarrollaron un material capaz de emitir luz dentro de los tejidos mediante ultrasonido enfocado. Para ello, sintetizaron nanotransductores mecano-luminiscentes (MLNT, por sus siglas en inglés), biocompatibles, de composición Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy, obtenidos a partir de material en bulto. La superficie de las nanopartículas fue funcionalizada con polietilenglicol (PEG), formando una dispersión coloidal estable en medio acuoso. Estas partículas presentaron tamaños de 30 a 110 nm y estabilidad de hasta una semana, conservando los mismos patrones de difracción y espectros de emisión que el material original.

La validación experimental se realizó en ratones inyectados con MLNTs y estimulados con ultrasonido enfocado. Como demostración, los investigadores lograron observar la distribución tridimensional de distintas zonas en el cerebro de los animales vivos. El ultrasonido, capaz de penetrar tejidos y enfocarse con alta precisión, se confirma así como una herramienta no invasiva poderosa para estudiar procesos biológicos.

Los autores proponen que la emisión de luz se origina cuando el ultrasonido induce deformaciones mecánicas que activan trampas de energía en el material. Este proceso involucra campos eléctricos generados por el movimiento de dislocaciones asociadas al deslizamiento intergranular. La hipótesis concuerda con la relación proporcional observada entre la intensidad de la luz emitida y la presión ultrasónica. Además, al aumentar la frecuencia del ultrasonido, el punto luminoso se reduce, permitiendo ajustar la emisión de luz de manera similar al enfoque óptico con lentes.

Esta capacidad de generar luz en los tejidos biológicos de forma controlada en espacio y tiempo abre aplicaciones en edición genética, terapia fotodinámica, obtención de imágenes en tejidos profundos y liberación de fármacos, sentando las bases para nuevas biotecnologías reconfigurables basadas en luz.

Para mayor información, consultar: Nature Materials

Estabilización de las fronteras de grano en películas ultradelgadas ferroeléctricas de ZrO2

 

Las fronteras de grano (GB, del inglés grain boundaries) son defectos topológicos omnipresentes en los materiales policristalinos, que influyen de manera crucial en sus propiedades macroscópicas como la resistencia mecánica, la tolerancia a la radiación y la conductividad térmica. Por ejemplo, las redes densas de GB impiden el movimiento de dislocaciones, lo que endurece y fortalece a los metales nanoestructurados y materiales superduros. 

La ingeniería de defectos o la modificación microestructural han considerado sistemáticamente las GB simplemente como elementos auxiliares para la regulación de propiedades. Sin embargo, estudios recientes sugieren que las GB no solo actúan como reguladores auxiliares, sino también como heterointerfaces independientes capaces de estabilizar las estructuras de fase del grano e inducir funcionalidades emergentes.

La posibilidad de controlar las fases cristalinas mediante la manipulación de las GB ha adquirido especial relevancia con el descubrimiento de ferroelectricidad en películas de fluoritas nanocristalinas basadas en HfO2 y ZrO2, donde la ferroelectricidad se presenta en una fase ortorrómbica (O) metaestable no centrosimétrica. Sin embargo, el papel de las GB en estabilizar la fase-O en la nanoescala se ha estudiado poco, debido en parte a la dificultad de determinar con precisión su estructura a escala atómica y su composición química.

Un grupo de investigadores de China logró crecer, por métodos químicos, una superestructura ordenada de La(Sr)–Mn–O exclusivamente en las GB de películas ultradelgadas policristalinas de ZrO2 (de espesores menores a 5 nm) que estabiliza la fase ferroeléctrica metaestable O. Las configuraciones atómicas de la superestructura de La(Sr)–Mn–O y su crecimiento ordenado, se identificaron mediante imágenes con resolución atómica y espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS). La distribución de la carga y las interacciones electrónicas Mn–O se confirmaron con microscopía electrónica de transmisión de barrido de cuatro dimensiones (4D-STEM). Cálculos de primeros principios demuestran la disposición ordenada de los orbitales eg/t2g de los iones Mn3+/Mn4+ a lo largo de las GB. Esta disposición induce interacciones alternas con los iones de oxígeno, lo que modula periódicamente la fuerza del enlace Zr–O, estabilizando finalmente el estado ferroeléctrico a ambos lados de las GB. 

Estos hallazgos proponen un mecanismo de estabilización para fases polares metaestables a través de una nueva química de fronteras de grano, abriendo caminos para la nanoelectrónica ultraestable.

Este trabajo fue publicado en Nature Materials

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