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

Los MOFs: Desde sus orígenes al Nobel

El término “enrejados metalorgánicos” (conocidos por sus siglas como MOFs, del inglés metal-organic frameworks) fue acuñado por Omar M. Yaghi en 1994, quien posteriormente dominó el campo; sin embargo, fue Richard Robson quien, desde 1989, había sentado las bases conceptuales de estas estructuras. Posteriormente, en 1997, Sumusu Kitagawa mostró la funcionalidad práctica de los MOFs al demostrar su capacidad para almacenar metano. Estos trabajos pioneros en el campo de los MOFs, derivaron en la síntesis de decenas de miles de compuestos con prometedoras aplicaciones. Debido a esto, el premio Nobel de química de 2025 fue otorgado a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi como reconocimiento de sus importantes avances en el descubrimiento de estos enrejados metalorgánicos.

Sin embargo, ¿qué son estos enrejados y cuál es su utilidad?

Los MOFs son materiales en los que iones o cúmulos metálicos están enlazados mediante moléculas orgánicas, formando un patrón regular y repetitivo que da lugar a una red tridimensional.  Una característica clave de estos materiales es que, en el espacio entre los nodos metálicos y las moléculas orgánicas a las que se unen se generan grandes cavidades, lo que hace que el material sea altamente poroso. Yaghi mencionó que un gramo de MOF tiene un área superficial interna aproximadamente igual a la de dos campos de fútbol americano. 

Los MOFs tienen propiedades únicas, como su gran área superficial, su baja densidad, alta flexibilidad y la versatilidad en la función de sus poros, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones. Por ejemplo, debido a su alta porosidad, se ha estudiado su capacidad de almacenamiento de hidrógeno y metano. En el MOF-177 se reportó un almacenamiento de hidrógeno de hasta un 7.5 % en peso. También se han empleado para la captura de CO2 y la adsorción de nitrógeno.

El uso de los MOF se ha extendido al ámbito biomédico, principalmente para el transporte de fármacos. Sus ventajas, en comparación con otros materiales, son la facilidad con la que se puede modificar el tamaño de los poros, su alta capacidad de almacenamiento de fármacos y que la superficie de los poros se puede funcionalizar. Por ejemplo, se ha demostrado que los MOF MIL-53(Fe) y MIL-53(Cr) pueden almacenar hasta 17.4% ibuprofeno con un tiempo de liberación prolongado de 21 días  

También se ha investigado su aplicación como electrodos en baterías de iones de litio (LIBs). Las LIBs comerciales están hechas principalmente con ánodos de grafito, los cuales tienen una capacidad máxima de 372 mAh/g. En comparación, el material compuesto formado por partículas de magnetita (Fe3O4) encapsuladas por el MOF HKUST-1 mostró una capacidad de 1001.5 mAh/g, un valor superior al de la magnetita pura (696 mAh/g) y al del grafito. 

Los MOFs han mostrado propiedades excepcionales y una notable versatilidad, evidenciada por su aplicación en diversos campos y dispositivos tecnológicos. Los numerosos avances en su investigación y desarrollo fueron, sin duda, motivo del Premio Nobel de Química de este año.

Para más información: Chemistry Nobel Prize

Constante dieléctrica y conductividad de agua confinada en un plano

El agua es esencial para la vida y sus propiedades han sido ampliamente estudiadas, aunque aún se conoce poco sobre su comportamiento eléctrico en condiciones interfaciales o de confinamiento extremo. En este estado, el agua pierde la estructura propia del volumen y adquiere una disposición laminar, lo que modifica su conductividad eléctrica, polarizabilidad y las fuerzas intermoleculares que determinan numerosos procesos físicos y químicos.

En este trabajo se empleó microscopía de barrido dieléctrica (Scanning Dielectric Microscopy, SDM), basada en un microscopio de fuerza atómica (AFM) adecuado para detectar variaciones de capacitancia del agua confinada en canales formados en la superficie del nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta técnica permite medir las propiedades dieléctricas en el plano del agua confinada entre dos capas de hBN, una plana y otra con canales, separadas hasta por 1 nm.

Cuando el confinamiento excede algunos nanómetros, la constante dieléctrica y la conductividad del agua se aproximan a los valores volumétricos y aumenta la conducción por protones. Al reducir el espesor de la capa de agua, la conductividad crece notablemente y, cuando este espesor alcanza unas pocas moléculas, la constante dieléctrica en el plano alcanza valores del orden de 1000, similares a los de materiales ferroeléctricos, mientras que la conductividad llega a varios S m−1, como en los líquidos superiónicos. Comprender el comportamiento del agua nanoconfinada es esencial para explicar fenómenos en interfaces acuosas y poros nanométricos.

El agua volumétrica presenta una constante dieléctrica alta (εbulk ≈ 80) y una conductividad de aproximadamente σbulk ≈ 10−5 S m−1, comparables a las de un semiconductor de banda ancha. Esto explica su capacidad para formar puentes de hidrógeno y disolver más sustancias que cualquier otro líquido, generando un fuerte apantallamiento dieléctrico, determinante en los procesos bioquímicos de la vida.

Recientemente se demostró que el agua confinada entre monocapas no es polarizable en dirección perpendicular (ε⊥ ≈ 2), en concordancia con la teoría, aunque la constante paralela (ε//) no se conoce y todavía no se entiende teóricamente. 

Este trabajo muestra que, bajo confinamiento molecular extremo, las propiedades eléctricas del agua confinada en 2D cambian drásticamente, aportando nueva comprensión sobre la doble capa eléctrica y el fuerte confinamiento, abriendo posibilidades para estudiar otras sustancias.

Mayor información en: Nature

Video de gato de Schroedinger hecho con átomos

 

La computación cuántica promete resolver problemas que resultan imposibles para las computadoras clásicas. En lugar de bits que solo pueden valer 0 o 1, las máquinas cuánticas usan cúbits, capaces de estar en varios estados a la vez. Esto multiplica la capacidad de cálculo, pero también plantea enormes retos: los cúbits son inestables y propensos a errores.

Entre las distintas plataformas en desarrollo, los arreglos de átomos de Rydberg destacan por su potencial. En ellos, átomos individuales son atrapados con haces de luz llamados pinzas ópticas.

 Esta técnica ofrece gran precisión, permite conectar átomos de manera flexible y se puede ampliar a escalas muy grandes. Gracias a esto, ya se han demostrado pasos clave hacia la computación cuántica, como la corrección de errores y la simulación de fenómenos físicos complejos.

Un obstáculo importante es que, al cargar los átomos en un sistema, muchas posiciones del arreglo quedan vacías. Para aprovechar todo el sistema se necesita reorganizarlos y formar un arreglo sin defectos. Los métodos tradicionales mueven los átomos uno por uno, lo cual resulta demasiado lento para miles de partículas.

La solución presentada por el equipo de investigación citado, combina inteligencia artificial (IA) con un modulador espacial de luz (SLM). Este dispositivo puede modificar un haz láser en tiempo real y, guiado por la IA, desplazar en paralelo a todos los átomos hacia sus posiciones finales. El proceso se divide en pasos muy pequeños para evitar pérdidas y errores.

El procedimiento funciona así: primero, se cargan átomos de rubidio de manera aleatoria. Una cámara registra la distribución y una red neuronal identifica qué sitios quedaron ocupados. Después, la IA calcula la ruta óptima para mover cada átomo. Finalmente, el SLM genera hologramas de luz que guían el movimiento simultáneo de todos los átomos hasta formar el arreglo deseado.

Con esta técnica se logró construir el arreglo libre de defectos más grande reportado hasta ahora: 2024 átomos perfectamente ordenados. Para demostrar el nuevo sistema de reordenamiento rápido de miles de átomos, los investigadores crearon una animación con el famoso gato de Schrödinger. 

Este avance nos acerca a la posibilidad de contar con computadoras cuánticas más poderosas y, al mismo tiempo, abre la puerta a simulaciones de sistemas físicos imposibles de estudiar con las tecnologías actuales.

Para mayor información y la animación del gato de Schroedinger, consultar: Phys. Rev. Letters

 

Una nueva estrategia de edición genómica que utiliza nanopartículas lipídicas con ácidos nucleicos esféricos y CRISPR

 

  

Los sistemas CRISPR-Cas son una herramienta biológica descubierta recientemente que funciona como

“tijera molecular”, capaz de localizar y cortar fragmentos específicos del ADN para modificarlos

o corregirlos con gran precisión. Esta maquinaria de edición génica ha transformado la biología al ofrecer

la posibilidad de corregir errores genéticos.

No obstante, su mayor desafío ha sido transportar a la máquina de edición de manera segura y eficiente

al interioir de las células, ya que los métodos tradicionales, como los vectores virales o nanopartículas lipídicas (LNPs), suelen presentar problemas de toxicidad, baja eficiencia o reacciones inmunes. 

Un reciente estudio propone una solución innovadora al introducir la maquinaria CRISPR-Cas en

nanopartículas lipídicas recubiertas con ácidos nucleicos esféricos (SNAs por sus siglas en inglés), lo que

resulta en nanoestructuras de aproximadamente 130 nm.  La capa externa de ADN facilita su entrada a las células,

y el núcleo lipídico da estabilidad a la maquinaria CRISPR-Cas y permite su liberación controlada.

En la nanoestructura lipídica se incluyen tanto los plásmidos que codifican la maquinaria de CRISPR como

los moldes necesarios para reparaciones de ADN por la vía HDR (reparación dirigida por homología).

En resumen, este diseño permite una mejor captación celular de la nanopartícula, que a su vez contiene

la maquinaria CRISPR-Cas. Se reduce la toxicidad y aumenta la

eficiencia de edición genética.

El equipo de investigación probó esta estrategia en diferentes tipos de células, evaluando cuántas

nanopartículas lograban entrar, si había efectos tóxicos y si la maquinaria CRISPR se entregaban de manera

exitosa. Luego, analizaron el ADN celular para comprobar si la maquinaria CRISPR había hecho las ediciones esperadas.

Los resultados mostraron que este sistema no solo produjo las ediciones típicas de deleción de nucleótidos,

sino también reparaciones precisas mediante la vía HDR. En comparación con LNPs convencionales, las

nuevas estructuras fueron más eficientes, y no mostraron toxicidad, manteniendo además una alta viabilidad

celular incluso a concentraciones elevadas.

Los investigadores destacan que estas nanopartículas híbridas, llamadas LNP-SNAs, podrían adaptarse en

el futuro para dirigirse a órganos específicos. Gracias a su mayor seguridad y eficacia, los

CRISPR-LNP-SNAs representan una plataforma versátil y escalable, que acerca cada vez más

las terapias de edición genética a su aplicación clínica.

Más información en: PNAS

Transistores de efecto de campo ferroeléctricos reconfigurables con canales de nanotubos de carbono de pared simple

El rápido desarrollo de internet y de la inteligencia artificial ha acelerado la generación de datos imponiendo una mayor demanda en su procesamiento. Para procesarlos de manera eficiente se requiere reducir la dimensión de los dispositivos y el voltaje de operación y, con ello, el consumo de energía. 

Sin embargo, con la tecnología actual de transistores de efecto de campo (FET) como los transistores complementarios metal-oxido-semiconductor (CMOS) de silicio, lograr estas mejoras se ha vuelto difícil debido a limitaciones físicas: cuando los transistores se hacen demasiado pequeños aparecen problemas de control eléctrico. En particular, la reducción del tamaño se dificulta por efectos ligados a la corta longitud del canal, mientras que bajar el voltaje por debajo de 1 V está restringido por el límite de Boltzmann, que depende de la relación constante entre el potencial de interacción y el recorrido libre medio de los transportadores de carga.

Ante estas limitaciones, una alternativa prometedora son los transistores reconfigurables, capaces de cambiar su funcionamiento después de fabricados. Un caso especial son los transistores FeFET reconfigurables, que pueden funcionar como transistores de tipo p o de tipo n según se necesite.

Un equipo de investigación de Corea, EE.UU. y China desarrolló este tipo de dispositivos usando nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) altamente alineados como canales semiconductores y un material ferroeléctrico innovador (nitruro de aluminio-escandio). Estos dispositivos presentan características ambipolares de los portadores con corrientes del estado de encendido (ON, del inglés) altas y bien equilibradas (de ~270 μA μm−1 a un voltaje de drenador de 3 V) y razón encendido/apagado (ON/OFF, del inglés) superiores a 105, aunado con amplias ventanas de memoria y excelente capacidad de retención. Además poseen capacidad de memoria ternaria (pueden guardar -1, 0 o +1 en lugar de solo 0 y 1). Esto significa que se pueden construir circuitos más compactos y eficientes que los basados en silicio convencional.

Mayor información en: Nature Communications

Crecimiento homo epitaxial a gran escala de MoS2 en un apilamiento romboédrico

 

Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades únicas que los hacen adecuados para su implementación en diferentes dispositivos tecnológicos. Manipular y modificar el apilamiento entre capas es una forma de modular sus propiedades. 

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) bidimensionales son importantes candidatos para la reducción de tamaño de los transistores. Estos materiales suelen estar apilados en un ordenamiento conocido como 2H, conformado por dos monocapas con rotación de 180°. Inducir un apilamiento artificial distinto (por ejemplo, el apilamiento romboédrico conocido como 3R en el que tres monocapas están desplazadas, sin rotación) les confiere propiedades exóticas como la ferroelectricidad, superconductividad, entre otras. Sin embargo, inducir este tipo de apilamientos no es tarea fácil, debido a la alta estabilidad termodinámica de los apilamientos 2H.

Científicos de universidades chinas han logrado obtener disulfuro de molibdeno (MoS2) en apilamiento 3R a gran escala (del orden de cm). Mediante la técnica de depósito por descomposición química de vapores (CVD por sus siglas del inglés chemical vapor deposition) depositaron una monocapa de MoS2 sobre un sustrato de zafiro. Una vez depositada la primera monocapa, el proceso de nucleación de la siguiente resulta crucial para lograr el apilamiento deseado, ya que, una vez formada, no es posible rotarla. 

Este estudio propone, mediante cálculos DFT, que los defectos conocidos como antisitios (Mos) promueven el apilamiento 3R sobre el 2H. Experimentalmente se demostró la presencia de este tipo de defectos en las muestras con apilamiento 3R, mientras que no se observó en las muestras con apilamiento 2H, corroborando el mecanismo de crecimiento. Las muestras obtenidas demostraron poseen ferroelectricidad mediante la técnica de microscopia de piezofuerza (PFM del inglés piezoresponse force microscopy).

Dado que el MoS2-3R es un semiconductor con características ferroeléctricas, se propone para la fabricación de transistores de efecto de campo con compuerta de semiconductor ferroeléctrico (FeS-FETs por sus siglas del inglés ferroelectric semiconductor field effect transistors). Además, debido a la ventaja que representa obtener muestras de buena calidad y gran tamaño, se asegura la reproducibilidad de los dispositivos. 

Más información en: nature materials

Nanoalambres flexibles de selenio con bandas prohibidas sintonizables

 

Los cambios en el tamaño y la forma geométrica de las nanopartículas permiten manipular las propiedades de los semiconductores sin alterar su composición química. Sin embargo, persiste el desafío de que, según el método de síntesis, la dispersión de los tamaños de las nanopartículas varía.

El uso de moldes de nanotubos para formar nanoalambres de selenio forma parte de la estrategia más amplia de emplear plantillas nanoestructuradas para controlar el crecimiento de nanomateriales unidimensionales. Aunque el selenio, por su naturaleza anisotrópica, ya de sí cristaliza formando estructuras alargadas, las plantillas de nanotubos de carbono (CNT), óxido de aluminio anódico u otras nanoestructuras huecas, permiten un control preciso del crecimiento unidireccional del nanoalambre, su  tamaño, orientación y homogeneidad, además de proteger el material durante su formación. Estas estructuras núcleo-coraza, con núcleo de Se y coraza exterior protectora (nanotubo)  tienen aplicaciones en nanoelectrónica, fotoconductores y almacenamiento de energía.

Investigadores ingleses descubrieron distintas fases estructurales del selenio al confinarlo dentro de nanotubos de carbono y de nitruro de boro, observando una notable plasticidad estructural en nanoalambres con diámetros entre 0.4 y 3.0 nm. El experimento usó una muestra de nanotubo de nitruro de boro (BNNT) y cuatro de carbono (CNT) de diferentes diámetros, todas bajo condiciones experimentales idénticas. Se sublimó selenio para llenar los nanotubos y formar estructuras Se@CNT y Se@BNNT, con el fin de estudiar exclusivamente el efecto del diámetro del nanotubo sobre la estructura resultante del selenio.

Encontraron que el ancho de la banda prohibida de estos nanoalambres, entre 2.2 y 2.5 eV, depende del diámetro del nanotubo de forma no monotónica, debido a que las distorsiones en las cadenas de Se contrarrestan el confinamiento cuántico a escalas subnanométricas.

Los autores desarrollaron un diagrama de fases unidimensional que predice la estructura atómica del selenio según el diámetro del nanotubo, independientemente de su composición química. Esto demuestra que el confinamiento en nanotubos permite sintonizar con precisión la estructura y las propiedades electrónicas del selenio. La caracterización se realizó mediante microscopía electrónica avanzada y espectroscopía de pérdidas de energía electrónica (EELS) para determinar las bandas prohibidas.

Estos descubrimientos a nanoescala allanan el camino para el desarrollo de componentes electrónicos avanzados miniaturizados, sintonizables y flexibles, tales como transistores, sensores ópticos y sistemas fotovoltaicos.

Para mayor información, consultar: Advanced Materials

Células bipolares del ojo tratadas con nanovarillas de oro y activadas con láser infrarrojo para restaurar la visión

 La degeneración macular asociada a la edad (DMAE, por sus siglas en inglés) y la retinitis pigmentosa son causas significativas de pérdida de visión a nivel mundial, afectando cerca de 200 millones y 1.5 millones de personas respectivamente. En ambos casos existe una reducción en la sensibilidad lumínica de los fotoreceptores en la retina. Sin embargo, algunas neuronas retinales como las células bipolares y ganglionares permanecen funcionales lo cual ha resultado de interés en investigaciones para restaurar la visión.  

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Brown en Estados Unidos apunta hacia un nuevo tipo de sistema de prótesis visual en el que se utilizan nanovarillas de oro plasmónicas en combinación con un pequeño dispositivo láser integrado en unos anteojos.

Los investigadores inyectaron nanovarillas de oro en el humor vítreo del ojo de ratones las cuales se incorporaron a la retina y a las células bipolares y ganglionares. Posteriormente se utilizó un láser de barrido con longitudes de onda de la región infrarroja cercana al espectro visible y un tamaño de haz de 20 micras para enfocar luz infrarroja sobre las nanopartículas y generar una pequeña cantidad de calor que activó a las células bipolares y ganglionares. Este patrón de activación imitó las señales visuales naturales que procesa el cerebro a través de los pulsos de los fotorreceptores.

La estimulación láser causó un aumento en la actividad de la corteza visual de los ratones que indica que señales visuales, antes ausentes, estaban siendo transmitidas y procesadas por el cerebro. El estudio no encontró signos de toxicidad ni inflamación a lo largo de varios meses de seguimiento.

Este hallazgo sugiere la posible aplicación de una tecnología similar en humanos. El uso de luz en la región del infrarrojo cercano, en lugar de luz visible, para activar las células bipolares, no es invasivo ni interfiere con la visión residual que el organismo aún conserve. Son necesarias más pruebas antes de su uso clínico; sin embargo, estos hallazgos ya apuntan a una opción menos invasiva para la restauración de la visión.

Para mayores detalles consultar:

ACS Nano

Los grupos funcionales regulan la concentración de iones y el pH en nanoporos

Para comprender las reacciones químicas que ocurren dentro de los nanoporos de materiales nanoporosos, ya sean sintéticos o naturales, como los presentes en membranas o canales iónicos de sistemas biológicos, es fundamental conocer la concentración de iones en su interior. Para ello, los nanoporos se funcionalizan con grupos químicos específicos.

En este estudio, un grupo de investigadores de Estados Unidos reporta el desarrollo de un nanosensor plasmónico del tipo núcleo-coraza, compuesto por una nanobarra de oro recubierta con sílica mesoporosa funcionalizada con grupos fenilo y metilo. Este nanosensor es capaz de medir la concentración local de protones, aniones (como fosfatos, nitratos, sulfatos y arsenatos), así como cationes (como mercurio, plomo y cobre) en nanoporos funcionalizados. Las mediciones se realizaron mediante espectroscopía Raman amplificada por superficie (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), aplicada in situ.

Los valores obtenidos se comparan con los correspondientes a la sílica en volumen. Además, los resultados indican que estas concentraciones de iones son diferentes en nanoporos prístinos e hidrofóbicos en comparación con nanoporos funcionalizados con radicales fenilo y metilo. En éstos, reportan un aumento en la concentración de aniones y una disminución en la concentración de cationes de manera concurrente. Por otra parte, el pH en los nanoporos resulta dependiente de la composición de la solución. Encontraron que, en algunos casos, el pH en los nanoporos podía disminuir hasta en 2.5 unidades con respecto a su valor en el volumen. 

Estos resultados proveen información acerca de la interacción química ión-nanoporo, es decir, y permiten controlar contaminantes de manera precisa y selectiva con aplicación directa en la química del agua para procesos de desalinización basados en membranas, para almacenamiento de CO2 y para la catálisis en materiales porosos.

Más información en: ACS Applied Materials and Interfaces