Confinamiento in situ de nanocristales de perovskita para LEDs eficientes que emiten en azul

 

Las perovskitas de haluro metálico han emergido como materiales semiconductores prometedores para la fabricación de diodos emisores de luz (LEDs, del inglés light emitting diodes) de nueva generación, debido a sus excelentes propiedades luminiscentes, sus bandas prohibidas ajustables, brechas de banda ajustables, alta pureza del color emitido y procedimientos de obtención de bajo costo. Los LEDs de perovskita (PeLEDs) han experimentado un rápido desarrollo, con una eficiencia cuántica externa superior al 30 % para las emisiones verdes y rojas. Sin embargo, para emisores de luz azul el rendimiento de los PeLEDs no ha alcanzado el de los LED orgánicos (OLEDs), ni el de los LED de puntos cuánticos basados en calcogenuros metálicos (QD-LEDs). Los PeLEDs se encuentran rezagados en términos de eficiencia, vida útil o ambas. Para mejorar el rendimiento de los PeLEDs azules, se requieren perovskitas con alta cristalinidad y tamaños de grano nanométricos. 

La alta cristalinidad con baja densidad de defectos suprime las pérdidas por recombinación no radiativa y la degradación del material, mientras que los granos pequeños mejoran la eficiencia radiativa mediante el confinamiento de carga y la difusión limitada. Sin embargo, lograr simultáneamente nanocristales de perovskita con alta cristalinidad y confinamiento en la nanoescala mediante síntesis in situ sobre sustratos constituye un desafío actual.

Investigadores de China y Países Bajos, establecieron una estrategia de polimerización in situ sencilla para producir nanocristales de perovskita Cs0.7EA0.3PbBr3 (EA, etilamina) con alta cristalinidad y tamaños confinados. La red polimérica formada in situ a partir de  acrilato de metil éter oligo(etilenglicol) (OEGA) restringe dinámicamente el crecimiento excesivo de los nanocristales durante la cristalización, reduciendo el tamaño de más de 250 nm a 11 nm y logrando un alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia del 83%. 

Debido a la fuerte afinidad de coordinación, el OEGA interactúa eficazmente con los precursores de perovskita, moderando el rápido crecimiento inicial de las semillas de la perovskita y, por lo tanto, mejorando la cristalinidad. Los nanocristales totalmente confinados exhiben una fase cúbica a temperatura ambiente con distorsiones octaédricas reducidas, mitigando sustancialmente las pérdidas no radiativas causadas por el acoplamiento electrón-fonón. En consecuencia, los PeLEDs azules desarrollados logran una eficiencia cuántica externa del 21,8 % a 491 nm, ubicada entre los mejores rendimientos en PeLEDs azules. 

Este trabajo demuestra un método viable de confinamiento de nanocristales in situ que permite comprender mejor el efecto de la ingeniería de ligandos en la síntesis de nanocristales de perovskita, lo que beneficia el desarrollo de PeLEDs azules eficientes y de las tecnologías optoelectrónicas relacionadas.

Más información en Nature

Síntesis de diamantes 2D

 

El diamante es conocido por su excepcional dureza, su alta conductividad térmica y su baja reactividad. Sin embargo, presenta baja resistencia a la fractura y mala conductividad eléctrica en comparación con muchos materiales metálicos y sólidos inorgánicos no metálicos. Durante décadas se ha teorizado que el diamante bidimensional (2D) puede presentar propiedades mejoradas respecto al diamante en bulto, como consecuencia de su naturaleza bidimensional, incluyendo una mayor resistencia mecánica, una movilidad de portadores extraordinaria y una banda prohibida susceptible de modulación.

Investigadores de instituciones de China lograron sinterizar diamantes bidimensionales de alta calidad mediante el calentamiento de capas de grafeno con láser de infrarrojo cercano (NIR del inglés near infrared). Emplearon un proceso de alta presión y altas temperaturas (HPHT del inglés high pressure high temperature) para transformar de forma irreversible las capas de grafeno en diamante 2D. Como sustrato y absorbente de la energía del láser para facilitar el proceso de calentamiento utilizaron una lámina metálica pulida de renio (Re). Lograron sintetizar diamantes 2D con espesores desde el equivalente a una bicapa de grafeno (~1 nm) hasta de algunos cientos de nanómetros.

Los diamantes 2D fueron caracterizados mediante espectroscopía Raman, cuyos espectros exhibieron un pico característico bien definido a 1332 cm-1 con un semiancho de ~3.6 cm-1 , indicando su alta calidad cristalina. Los resultados de fotoluminiscencia demuestran que estos diamantes son excelentes candidatos para la computación cuántica y aplicaciones de sensado. Además, encontraron que su banda prohibida puede ser modulada en un intervalo de valores de 1.4 eV a 1.9 eV, dependiendo de la proporción de especies sp3 en la muestra,  que fue de entre 71.3% al 89.9%. Finalmente, ellos encontraron que los diamantes son estables por encima de 1000 °C.

Esta investigación ha demostrado la síntesis exitosa del diamante 2D y ha encontrado propiedades diferentes al diamante en bulto (3D). Los resultados muestran que los diamantes 2D poseen gran potencial para su implementación en la nanoelectrónica y la optoelectrónica.

Más información en: nature communications

La competencia de reactividades determina el tamaño y la composición de los nanocristales multimetálicos

 

Los nanocristales multimetálicos (NCs) han atraído la atención debido a sus propiedades físicas, químicas y catalíticas, que con frecuencia superan a las de sus equivalentes monometálicos. Estas propiedades peculiares de los NCs están determinadas por las interacciones sinérgicas entre los metales que los componen. 

La síntesis de estos materiales con un control preciso de su tamaño y composición es un reto importante debido a la diferencia en las reactividades de los precursores metálicos. Por estas diferencias, se esperaría que un aumento en la cantidad de precursores metálicos incrementaría la formación de productos heterogéneos (mezclas de partículas de distinto tamaño y composición). 

Sin embargo, un equipo de investigadores multinacional demostró un efecto contraintuitivo en la síntesis de nanocristales multimetálicos: la diferencia en las reactividades de los precursores metálicos puede en realidad favorecer la formación de nanocristales multimetálicos altamente uniformes.

Como semillas se utilizaron nanopartículas de Ru (≈ 4,5 nm) y soluciones precursoras de Fe, Co, Ni y Cu. Al añadir cinco metales (RuFeCoNiCu) se formó un producto uniforme: nanocristales pentametálicos de ≈ 14,1 ± 1,4 nm con una distribución estrecha de tamaños. El efecto se mantuvo incluso al modificar el tamaño de las semillas, las proporciones de los precursores y al introducir otros metales (Cr, In).

El mecanismo de este sorprendente proceso fue esclarecido mediante análisis de la evolución temporal de productos intermedios (time-lapse) y tomografía. Como muestra la Figura, la formación de nanocristales pentametálicos procedió a través de tres etapas distintas: (i) reducción predominante de Cu sobre semillas de Ru previamente formadas, (ii) inicio de la reducción de Co, Ni y Fe y formación parcial de la capa superficial, y (iii) reducción completa e integración de todos los metales constituyentes, RuFeCoNiCu, en nanocristales completamente formados.

Al aplicar los nanocristales pentametálicos soportados sobre Al2O3 como catalizadores, mostraron una velocidad de reacción más de cuatro veces superior a la del Ru monometálico en la descomposición del amoníaco (NH3 → N2 + 3H2) y mantuvieron una energía de activación comparable y estabilidad térmica. 

El presente trabajo propone un nuevo principio para el diseño de nanocristales multimetálicos complejos: en lugar de combatir la competencia de reactividades de los precursores metálicos, esta debe aprovecharse. Este hallazgo abre el camino hacia bibliotecas de nanomateriales con propiedades sinérgicas únicas para aplicaciones como catálisis y tecnologías de energía sostenible. 

Más información en: Science

Micelas de ADN con nanopartículas de oro para la detección de miRNAs asociados a la enfermedad de Alzheimer

 

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