Perfilado de microARNs en exosomas urinarios para la detección temprana de cáncer

   

  

Los microARNs (miARNs) son especies de ARN que han sido utilizadas como indicadores de distintos escenarios cancerígenos ya que se ha observado que difieren entre personas sanas y personas enfermas. Considerando el hecho de que las células cancerígenas pueden regular varios procesos biológicos mediante los miARNs, se estima que existe una relación entre el tipo de miARNs que circulan en el torrente sanguíneo y la forma de cáncer presente.

Un grupo de científicos en Japón estudiaron los exosomas, pequeñas vesículas extracelulares de alrededor de 200 nm de diámetro que actúan como vehículos de comunicación celular. Desarrollaron un nuevo método para la detección temprana del cáncer mediante el perfilado de miARNs encapsulados dentro de los exosomas. Los investigadores utilizaron nanoalambres de óxido de zinc para capturar y analizar más de 2,500 especies de miARNs exosomales en muestras de orina. Esta cantidad representa casi la totalidad de especies de los miARN que circulan en el torrente sanguíneo de los humanos. 

Los resultados sugieren que los miRNAs presentes en la orina no solo provienen de procesos normales de filtrado renal, sino que también pueden estar vinculados a la actividad tumoral, lo cual destaca el potencial de los miARNs urinarios como biomarcadores no invasivos para la detección temprana de cáncer. El análisis de datos reveló diferencias significativas en los niveles de expresión de varios miARNs entre pacientes con cáncer y personas sanas. Mediante un enfoque de aprendizaje artificial, los investigadores identificaron conjuntos específicos de miARNs que permitieron la construcción de un modelo predictivo con una precisión del 99%. 

Esta técnica de biopsia líquida es menos invasiva y más accesible que las técnicas basadas en sangre por lo que podría mejorar la capacidad de los médicos para identificar el cáncer en sus etapas iniciales, facilitando tratamientos más efectivos y aumentando las tasas de supervivencia.

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Anal. Chem.

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.

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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

Sensor ultrasensible de NO2 a temperatura ambiente basado en WS2 modificado con un co-catalizador de Fe-Ni

 

Para asegurar la protección de la salud, es muy importante poder detectar gases tóxicos con rapidez y alta sensibilidad a temperatura ambiente. En particular el dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas corrosivo que amenaza tanto la ecología del medio ambiente como a la salud humana. Se ha determinado que cuando la concentración de NO2 en la atmósfera excede 40 a 60 ppb*  resulta dañino para la salud. Hasta ahora, los materiales para construir sensores han mostrado una respuesta pobre a la temperatura ambiente.

La investigación de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) ha generado mucho interés en el campo de los sensores de gases, sobre todo porque pueden operar a temperatura ambiente y tienen potencial hacia un menor consumo de energía. En particular, el WS2 se presenta como un candidato ideal para la detección de gases a temperatura ambiente porque exhibe una alta movilidad electrónica, eficiente respuesta fotoeléctrica, excepcional estabilidad térmica y resistencia a la oxidación. Se ha reportado que el rendimiento de los TDM se mejora considerablemente con la adición de metales como Pt. Además, si se modifican con compuestos bimetálicos se observa una reducción en la energía de activación de las reacciones del sensor con el gas por el proceso co-catalítico, lo que disminuye la temperatura de operación y aumenta los tiempos de respuesta y recuperación. 

En este trabajo, investigadores de China propusieron un método de síntesis directa para la preparación de un sensor de gas basado en WS2 co-dopado con Fe y Ni. Los resultados demuestran que los sensores basados en la heteroestructura, Fe-Ni@WS2, exhiben una respuesta al NO2 significativamente mayor, a temperatura ambiente, comparada con la respuesta de sensores a base de WS2 puro. El composito Fe-Ni@WS2 se sintetizó aplicando el método hidrotermal de un solo paso. La morfología, estructura y las propiedades fisicoquímicas de los materiales fueron caracterizadas por diferentes técnicas analíticas como SEM, TEM, XRD y XPS entre otras.

Los resultados de esta investigación indican un enfoque eficaz para el diseño racional de sitios activos en el proceso de fabricación de sensores de gas de alto rendimiento basados en TMD modificados con compuestos bimetálicos.

*ppb = 1 parte por billón estadounidense, o sea, 1/109 0.001 ppm

Más información en: Applied Surface Science

Catalizadores de capas atómicas de aleaciones metálicas de alta entropía con arreglos atómicos cuadrados

 

Los primeros estudios sobre aleaciones de alta entropía (HEAs, del inglés high entropy alloys) se reportaron en 2004, estableciéndose como materiales con alto potencial en una amplia gama de aplicaciones. En los últimos años, se han desarrollado nanocristales o nanoestructuras de HEA monofásicos, sus derivados intermetálicos y sus correspondientes óxidos para diversas aplicaciones catalíticas, y han demostrado una alta actividad, selectividad y durabilidad. Como opción principal se consideraron la serie de catalizadores de HEA a escala nanométrica compuestos principalmente de metales del grupo del platino (PGM, del inglés platinum-group metals) como Pt, Pd, Rh, Ru, Ir y Os. Sin embargo, tales elementos PGM son escasos y muy caros, por lo que resulta extremadamente importante minimizar su demanda.

Investigadores de Taiwán, sintetizaron catalizadores metálicos nanométricos de HEA con estructura núcleo-coraza (core-shell) constituidos por núcleos de nanocubos de Pd (con 16.8 nm de lado) cubiertos por capas atómicas subnanométricas quinarias de tres elementos del grupo del hierro (IGM, del inglés iron-group metals) y dos elementos del PGM. Desarrollaron una familia de diez catalizadores, denotados como Pd@IGM-PGM-HEA, con composiciones quinarias distintas de las corazas IGM-PGM-HEA constituidas por los elementos IGM Fe, Co, y Ni, aleados con los dos elementos PGM escogidos entre Pt, Pd, Rh, Ru e Ir. El arreglo cuadrado de los átomos de las corazas HEAs, con facetas {100}, es controlado con precisión por las semillas cúbicas de Pd.

Los catalizadores se probaron en reacciones electrocatalíticas para explorar su rendimiento en la reacción de producción de hidrógeno molecular H2 (HER, del inglés hydrogen evolution reaction) y la reacción de oxidación de hidrógeno (HOR, del inglés hydrogen oxidation reaction). Comparado con los otros catalizadores Pd@IGM-PGM-HEA de la familia y catalizadores comerciales de Pt/C, el catalizador Pd@PtRuFeCoNi presentó una actividad catalítica y durabilidad superior en las reacciones HER y HOR. 

Empleando la espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón para la observación in situ de las reacciones HER y HOR, y mediante simulaciones utilizando la teoría del funcional de la densidad, los investigadores confirmaron el efecto sinérgico llamado “efecto cóctel” que surge de la composición multi-metálica. Este efecto optimiza la energía libre de adsorción de hidrógeno y contribuye a la notable actividad catalítica observada en las capas atómicas de PtRuFeCoNi. Por otra parte, mediante el uso de la microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución (HAADF-STEM) in situ observaron una transformación de fase metaestable de las capas atómicas de PtRuFeCoNi durante el proceso de recocido. Demostraron que el ordenamiento de los átomos transita de una mezcla aleatoria a los 25 °C a estados intermetálicos ordenados entre 300 °C y 400 °C y, finalmente, a los 500 °C se observan fases separadas.

Este trabajo no solo establece un paradigma para el desarrollo de nanocristales de IGM-PGM-HEA con facetas controladas, sino que también promueve conocimientos fundamentales sobre su mecanismo catalítico y estabilidad térmica.

Más información en: Science

Remoción de CO2 directamente del aire mediante adsorbentes cargados

 

En la actualidad, la mayor parte de la energía que consumimos proviene de los combustibles fósiles. Debido a esto, se libera una gran cantidad de gases de efecto invernadero hacia la atmósfera. Uno de los principales retos de la sociedad es reducir la emanación de estos gases contaminantes hacia el ambiente y así revertir el cambio climático que atenta contra todos los seres vivos de nuestro planeta.

 Desde hace años, la comunidad científica se ha dado a la tarea de buscar mecanismos por los cuales se pueda reducir la contaminación ambiental. Una forma de hacer frente a esta problemática es empleando  catalizadores, los cuales son capaces de atrapar y convertir a los gases contaminantes -dióxido de carbono (CO2), por ejemplo- en subproductos de carbono con valor agregado que pueden ser reutilizados en diferentes procesos industriales.

Recientemente un grupo de investigadores de América, Europa y Asia desarrollaron un adsorbente eléctricamente cargado formado a partir de carbón poroso conductor capaz de remover CO2 directamente del aire. El proceso de síntesis de este adsorbente es similar al proceso de carga de una batería: el carbón poroso  se activa con aniones (grupos OH-) durante el proceso de carga. Gracias a este proceso, los poros del material se saturan de grupos hidroxilo los cuales serán los responsables de capturar al CO2 y posteriormente de generar especies carbonatadas (carbonatos y bicarbonatos). Este material puede ser regenerado y reutilizado después de calentarlo a temperaturas cercanas a los 100°C.

Este tipo de materiales sin duda son una excelente alternativa para mitigar el cambio climático pues  son baratos además de que pueden ser regenerados y reutilizados sin un consumo excesivo de energía.

Mas detalles en Nature

Discriminación y captura de bacteriófagos individuales mediante una nanopinza óptica

  

  

 El uso inapropiado de antibióticos y la falta de medicamentos que actúen a través de mecanismos novedosos han dificultado el manejo de infecciones. Esta problemática  constituye una amenaza para la salud humana y, a medida que las cepas bacterianas superan a los medicamentos en los que hemos confiado durante décadas, una posible solución podría encontrarse en los bacteriófagos: virus que atacan a las bacterias.

Este enfoque, denominado terapia con fagos, ha recibido mucha atención como alternativa viable a los antibióticos; sin embargo, los resultados de ensayos clínicos demuestran la necesidad de desarrollar terapias personalizadas que requieren de una selección rápida y eficiente de un fago específico contenido en una biblioteca que puede incluir más de 100 fagos distintos. 

Un grupo de científicos desarrolló una técnica conocida como “nanopinzas” ópticas mediante la cual se pueden atrapar y manipular bacterias y viriones individuales. Estas nanopinzas utilizan un rayo láser altamente enfocado para sostener y manipular objetos microscópicos  o submicroscópicos. El rayo láser crea un gradiente de fuerzas que atrae partículas hacia un punto focal de alta intensidad manteniéndolas en su lugar sin contacto físico. Las nanopinzas fueron integradas en un chip formado por un cristal fotónico de silicio en cuyas cavidades se producen fuertes interacciones electromagnéticas que interactúan con una entidad biológica específica. Lo anterior les permitió controlar y adquirir información sobre las bacterias y viriones capturados. 

La capacidad de manipular y estudiar viriones individuales en tiempo real  tienen implicaciones relevantes más allá de la terapia con fagos y abre nuevas oportunidades en la investigación microbiológica pues constituye una herramienta poderosa para pruebas y experimentación rápidas.

Para mayores detalles consultar: 

Small 

Rotación de Faraday gigante en semiconductores de espesor atómico

  

Es bien conocido desde hace varios siglos que, bajo ciertas condiciones, la luz se comporta como una onda que oscila en una dirección del espacio y se propaga en un plano definido llamado plano de polarización. Esta propiedad de propagación de la luz se utiliza en un componente central de las redes de comunicación óptica conocido como "aislador" o "diodo óptico". El componente permite que la luz se propague en una dirección pero bloquea toda la luz en otras direcciones.

Algunos materiales tienen la capacidad de rotar el plano de polarización de la luz. La llamada rotación de Faraday se produce al aplicar un campo magnético y se observa en la respuesta magneto-óptica de sólidos, líquidos y gases. Este efecto ha sido crucial para numerosos avances científicos y tecnológicos en astronomía, biología, química, física y en la ciencia de los materiales. En particular, se utiliza para determinar la estructura de los dominios magnéticos en los sólidos, en sensores ópticos, en el efecto Hall óptico, para aislantes o diodos ópticos, entre otras aplicaciones. 

En este trabajo, un grupo de investigadores de Alemania, Australia, India y Reino Unido, demostró que cuando una onda linealmente polarizada incide en monocapas de diselenuro de tungsteno (WSe2) y disulfuro de molibdeno (MoS2) encapsuladas entre capas de nitruro de boro hexagonal (hBN) bajo la acción de campos magnéticos moderados, el plano de polarización exhibe una rotación de Faraday gigante de varios grados. Este fenómeno físico ocurre en estos materiales debido a excitones que se componen por un electrón y un hueco muy fuertemente ligados por la fuerza de Coulomb. La magnitud de la rotación de Faraday se determina con la constante de Verdet. El efecto observado en este caso corresponde con una constante de Verdet de -1.9 × 107 grad/T·cm, el valor más grande que se ha medido para cualquier tipo de material iluminado con luz del espectro visible.

Estos resultados representan un avance crucial para el uso potencial de dispositivos ultradelgados de polarización óptica. En el futuro, los materiales bidimensionales podrían ser la base de los aislantes ópticos y facilitar su integración en circuitos integrados y en futuras tecnologías ópticas de computación cuántica y de la comunicación.

Para mayor detalle consultar: Nature Communications

Transistores de efecto de campo de alto rendimiento con ferroeléctricos y canales ultradelgados para la electrónica flexible y transparente

 

El desarrollo de la electrónica flexible y transparente de alto rendimiento demanda transistores flexibles constituidos por capas ultradelgadas. El descubrimiento de materiales ferroeléctricos (FE) basados en hafnio (Hf) promovió el desarrollo de transistores de efecto de campo con ferroeléctricos (FeFET) de ultrabajo consumo de energía, alta velocidad de borrado y muy escalables, con alto potencial de aplicación en el campo de las memorias no-volátiles. La conducción en estos FeFETs se controla mediante la conmutación de polarización de la barrera ferroeléctrica en la compuerta, logrando así operaciones rápidas de lectura/escritura del dispositivo.

Sin embargo, el desarrollo de memorias ferroeléctricas que simultáneamente muestren una buena flexibilidad y un rendimiento significativo ha resultado ser un desafío, en particular, debido a las altas temperaturas necesarias para sintetizar los materiales FE.

Un equipo de investigadores de diferentes instituciones de China desarrolló un dispositivo FeFET de alto rendimiento con regímenes térmicos a temperaturas menores de 400 °C mediante la integración de capas HfO2 dopado con Zr (HZO) y óxido de indio-estaño ultradelgado (ITO) con espesores nanométricos. El FeFET propuesto tiene una ventana de memoria de 2.78 V, una alta relación de las corrientes de encendido y apagado (ION/IOFF) de más de 108 y una alta duración de hasta 2×107 ciclos. Además, los FeFETs sometidos a diferentes condiciones de flexión exhiben excelentes propiedades neuromórficas así como confiabilidad de flexión durante 5 × 105 ciclos de pulso con un radio de curvatura de 5 mm. 

La integración eficiente de materiales ferroeléctricos a base de Hf con prometedores materiales de canales ultradelgados como ITO, ofrece oportunidades únicas para posibilitar la fabricación de dispositivos FeFETs portátiles de alto rendimiento y compatibles con la tecnología actual de manufactura de circuitos integrados de semiconductores.

Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46878-5

Altermagnetos: un nuevo tipo de materiales magnéticos

 

Los dispositivos espintrónicos, a diferencia de los electrónicos, no solo hacen uso de la carga del electrón para su funcionamiento, sino que también consideran una propiedad cuántica llamada espín. Gracias a esto, se pueden desarrollar dispositivos más rápidos, eficientes y con menor gasto energético que los dispositivos electrónicos convencionales.

Los materiales con propiedades magnéticas son los principales constituyentes de los dispositivos espintrónicos y suelen clasificarse en dos grandes grupos: ferromagnéticos (FM) y antiferromagnéticos (AFM). En un FM, todos los momentos magnéticos de los átomos se encuentran alineados en la misma dirección, dando como resultado una magnetización total. Por otro lado, los AFM están conformados por dos subredes de momentos magnéticos antiparalelos, resultando en una magnetización total de cero. Ambas subredes se encuentran relacionadas por una operación de traslación o inversión.

Recientemente, un grupo multidisciplinario y multinacional descubrió un nuevo tipo de ordenamiento magnético, empleando una teoría de clasificación de simetrías de momentos magnéticos: los altermagnetos (AM). Este tipo de materiales está constituido por dos subredes de espines antiparalelos; sin embargo, ambas subredes no se relacionan por una inversión o traslación, pero sí por una rotación. Este cambio en la simetría de la red le confiere a los AM características tanto de los FM como de los AFM, así como nuevas propiedades.

Mediante la técnica de espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES) y modelado computacional basado en la teoría del funcional de la densidad (DFT), este grupo de investigación logró demostrar la existencia del altermagnetismo en el compuesto MnTe (telururo de manganeso), el cual fue sintetizado en forma de película delgada mediante la técnica MBE (por sus siglas del inglés molecular beam epitaxy) sobre sustratos de  fosfuro de indio con orientación (111) y terminación en In. Este descubrimiento tiene importantes aplicaciones en la nueva generación de tecnologías de memorias magnéticas y, sin duda, revolucionará los libros de magnetismo, pues ahora se debe considerar una tercera fase magnética que ha sido ignorada durante siglos. 

Más información en: Nature

Aplicación de nanopolvos catalizadores obtenidos de residuos agrícolas para la electrólisis del agua

 

El desarrollo de soluciones sostenibles para el aprovechamiento de la biomasa vegetal del sector agroindustrial requiere una atención especial debido a la gran cantidad de residuos que se acumulan. En todo el mundo se producen al año casi 150 millones de toneladas de cáscara de arroz y 5,5 millones de toneladas de cáscara de avena. Alrededor del 30% de la masa total de este tipo de residuos  se deposita en vertederos.  La eliminación inadecuada provoca la putrefacción de la biomasa y la liberación de gases de efecto invernadero, lo que se suma al efecto indeseable. Alrededor del 24% de las emisiones mundiales proceden del sector agrícola.

 Las nanoestructuras de carburo de silicio han llamado la atención por su excelente rendimiento y la posibilidad de utilizarlas en aplicaciones catalíticas, como electrocatalizadores para la producción de hidrógeno.  En este trabajo, investigadores de Rusia y China desarrollaron un método para convertir residuos agrícolas en nanopolvos de carburo de silicio. Las cáscaras de las plantas de cereales tienen un alto contenido en carbono y dióxido de silicio, que tras un tratamiento térmico proporcionan un material de partida casi ideal para su posterior síntesis mediante plasma de descarga de arco. Se eligieron como materias primas cáscaras de arroz y avena. Como resultado, se sintetizó carburo de silicio hexagonal α-SiC nanodisperso (tamaño de partícula <50 nm).

Demostraron que la adición de platino en una cantidad no superior al cinco por ciento en masa, en la reacción de liberación de hidrógeno durante la descomposición del agua, proporciona un rendimiento electrocatalítico comparable al de una muestra comercial de platino, y una gran estabilidad incluso después de 1500 ciclos de funcionamiento. El método desarrollado permite convertir residuos agrícolas en productos útiles de alta tecnología en forma de nanomateriales electrocatalíticamente activos. 

Más información en: Journal of Cleaner Production

Nanomotor pulsante formado por origami de ADN

 

El interés en fabricar nanomotores que realicen trabajo mecánico ha sido impulsado mediante  técnicas basadas en la biología molecular. Para la construcción a nivel nanométrico de triángulos, estrellas o formas más complejas, se aplica el origami de ADN que aprovecha la capacidad de auto-ensamblaje de este material para crear arquitecturas predeterminadas, utilizando hebras sencillas de ADN que se moldean con fragmentos complementarios conocidos como grapas.  

Investigadores de la Universidad de Bonn desarrollaron un nanomotor que consiste en dos brazos de 60 nm de longitud compuestos por hebras sencillas de ADN unidos mediante una bisagra. El extremo opuesto de cada brazo, está unido por un puente formado por una doble hebra de ADN. Una molécula de ARN polimerasa se encuentra anclada sobre uno de los extremos del puente de ADN. Cuando este sistema se alimenta con nucleósidos trifosfato (NTPs), la ARN polimerasa transita a lo largo de la cadena de ADN, acercando los brazos del nanomotor y sintetizando una molécula de ARN que se expulsa al medio. Un par donador-aceptor monitorea el cierre y la apertura de la bisagra mediante pulsos de fluorescencia. Este nanomotor pulsante se mantiene relajado a menos que sea alimentado con NTPs, generando la síntesis repetitiva de ARN al cerrarse la bisagra y emitiendo la consiguiente secuencia de pulsos fluorescentes.

La capacidad de este nanomotor para realizar trabajo mecánico a nivel nanométrico abre nuevas puertas en el diseño de nanomáquinas, con posibles aplicaciones en la creación de dispositivos a escala molecular y en la manipulación de materiales a nivel atómico.

Más información en:

Nature nanotechnology

Armazones tridimensionales en la nanoescala de óxidos metálicos y semiconductores por medio de arreglos programables y templetes de ADN

 

La habilitación de propiedades novedosas, mecánicas, ópticas, y electrónicas que presentan las nanoestructuras de materiales inorgánicos depende del control de su nanoarquitectura en 3D. En una amplia gama de aplicaciones recientes de metamateriales con propiedades mecánicas, para computación neuromórfica y generación de energía, se requieren armazones en 3D con materiales de composición compleja y arquitecturas en la nanoescala. Para este propósito además de los procesos de manufactura aditiva, los métodos litográficos de  múltiples pasos y diversos métodos para los depósitos, proveen control estructural y resolución entre 30 y 100nm.

Investigadores de E.U.A. aprovecharon los arreglos programables de ADN y los aplicaron al diseño de nanoestructuras ordenadas en 3D de materiales inorgánicos, por medio de infiltración de fase líquida y fase vapor en metales, óxidos metálicos, semiconductores y sus combinaciones. Obtuvieron nanoestructuras de zinc, aluminio, cobre molibdeno, tungsteno, indio, estaño, platino y compositos como el óxido de zinc dopado con aluminio, el óxido de estaño con indio y el óxido de zinc dopado con platino/aluminio. Las nanoestructuras-3D presentan características en la escala nanométrica ordenadas por la estructura del ADN y la red autoensamblada. 

Los estudios estructurales y espectroscópicos de los materiales seleccionados revelan la composición y estructura de las nanoestructuras inorgánicas así como de sus propiedades optoelectrónicas. 

Esta estrategia para la nanofabricación puede ser vital para una amplia gama de aplicaciones que requieran nanoestructuras en 3D con arquitecturas y composiciones complejas. El objetivo  de este trabajo es  establecer una metodología para hacer litografía-3D molecularmente programable en la nanoescala.

Mayor información en: SCIENCE ADVANCES