Aleación de titanio ultrarresistente basada en franjas de apilamiento menores a 10 nm mediante fabricación aditiva

 

Las aleaciones ligeras que combinan una elevada resistencia mecánica con una buena ductilidad son fundamentales para las aplicaciones estructurales avanzadas. Entre ellas, las aleaciones de titanio (Ti) destacan por su alta resistencia específica, su resistencia a la corrosión y su versátil estabilidad de fases, características que las hacen especialmente atractivas para la ingeniería estructural a nanoescala. 

Por su parte, los metales nanoestructurados presentan propiedades de resistencia mecánica y funcionales excepcionales, asociadas a la incompatibilidad de la deformación y a la densidad de las fronteras de grano. Sin embargo, sigue siendo un desafío obtener metales en bulto totalmente nanoestructurados, sobre todo cuando se requieren componentes de geometrías complejas para aplicaciones prácticas. Métodos consolidados como la erosión iónica, el electrodepósito y la deformación plástica severa han demostrado que es posible obtener metales con nanoarquitecturas y propiedades sobresalientes. No obstante, la brecha entre los resultados obtenidos en el laboratorio y su implementación industrial continúa siendo considerable.

Un grupo de investigadores de China fabricó una aleación compuesta por Ti combinado con Al y Cr en porcentajes de 7.5 y 3.3.   Mediante la fabricación aditiva (AM, del inglés additive manufacturing), de abajo hacia ariba (bottom-up) y empleando la técnica de fusión láser de lecho de polvo (o fusión selectiva por láser) (LPBF, del inglés laser powder bed fusion) se obtuvo una aleación con resistencia mecánica ultraelevada. La composición y los parámetros de procesamiento se optimizaron utilizando métodos de aprendizaje de máquina (machine learning) y experimentación de alto rendimiento. Con la técnica LPBF, mediante estrategias programadas de barrido del láser, los polvos metálicos se fundieron y solidificaron selectivamente capa a capa, sometiendo a los componentes a gradientes térmicos extremos, velocidades de enfriamiento elevadas y ciclos térmicos repetidos. 

Se estudió la influencia de los elementos de la aleación en las energías interfaciales de la aleación de Ti mediante cálculos ab initio basados en la teoría del funcional de la densidad.                      

La microestructura nanoestructurada compuesta por franjas de apilamiento de menos de 10 nm le confiere a la aleación de Ti un límite elástico de ~1,5 GPa, una resistencia a la tracción superior a 1,7 GPa, un alargamiento uniforme de ~7,5 % y una resistencia específica de ~380 MPa cm³ g⁻¹. 

La aleación de Ti desarrollada combina alta resistencia, ductilidad y capacidad de fabricación a escala, una combinación de propiedades prometedora para aplicaciones estructurales. Esta metodología abre nuevas posibilidades para desarrollar metales con mejores propiedades mecánicas y mayor capacidad de fabricación, incluso para las aplicaciones más exigentes.

Más información en: nature materials

La epitaxia van der Waals suprime la fractura térmica de metales ultradelgados

 

Las películas delgadas metálicas son indispensables para la electrónica moderna. Sin embargo, cuando su espesor se reduce a la escala nanométrica, pueden presentar inestabilidades similares a las de los líquidos. Una de ellas es la deshidratación, que provoca que la película se retraiga espontáneamente, formando rugosidades y perdiendo su continuidad. Estas inestabilidades térmicas limitan la temperatura de funcionamiento de las películas metálicas ultradelgadas a alrededor de 300 °C, lo que dificulta su integración en dispositivos bidimensionales (2D).

Para superar esta limitación, científicos de diversas instituciones chinas desarrollaron películas delgadas de oro de aproximadamente 40 nm de espesor mediante epitaxia van der Waals (vdW) sobre grafeno, utilizando evaporación por haz de electrones. A diferencia de la epitaxia convencional —en la que las capas de material se depositan sobre un sustrato con una superficie ordenada, de modo que sus átomos pueden alinearse de manera precisa—, la epitaxia vdW se basa en interacciones más débiles entre las capas. Esto permite el crecimiento de materiales sobre sustratos con estructuras cristalinas diferentes y sin que exista necesariamente un enlace químico directo entre ambas superficies, gracias a las fuerzas de van der Waals entre ellas.

Los resultados muestran que la epitaxia vdW sobre grafeno favorece la formación de una microestructura más uniforme, caracterizada por granos con orientación preferencial (111) y fronteras de grano de baja energía. Esta microestructura modifica el comportamiento de la película a altas temperaturas: reduce las fuerzas capilares que normalmente favorecen la ruptura de la película y facilita procesos de autorreparación que contribuyen a mantener su continuidad. Como resultado, las películas delgadas de oro mantienen su continuidad incluso a temperaturas cercanas a 850 °C, muy por encima del límite convencional de aproximadamente 300 °C. En contraste, las películas obtenidas mediante métodos convencionales presentan una microestructura más heterogénea y fronteras de grano menos favorables para su estabilidad térmica.

Estos resultados muestran que el control de la microestructura mediante epitaxia vdW puede ser una estrategia para mejorar significativamente la estabilidad térmica de las películas metálicas ultradelgadas y facilitar su integración en dispositivos 2D. Con esta nueva metodología se pueden aumentar las temperaturas y los tiempos de fabricación, lo que permite fabricar dispositivos de nueva generación con componentes de alta calidad. 

Más información en: nature communications

Síntesis programable e in vivo de puntos cuánticos para el tratamiento de cáncer

 

Los puntos cuánticos (QD, por sus siglas del inglés quantum dots) son nanopartículas semiconductoras capaces de convertir la luz incidente en calor o reemitirla con otras longitudes de onda. En medicina, los QD’s fabricados con seleniuro de plata (Ag2Se) resultan prometedores porque son sensibles al infrarrojo cercano (NIR-II), luz que penetra con facilidad en los tejidos biológicos. Sin embargo, cuando estas nanopartículas se sintetizan in vitro e inyectan en el cuerpo, el organismo las elimina rápidamente antes de que lleguen al tumor.

Para superar este obstáculo, un equipo de la Universidad de Nankai (China) diseñó una estrategia innovadora: sintetizar los puntos cuánticos directamente dentro de las células cancerosas. 

Para lograrlo desarrollaron la plataforma conocida como nanosintetizador integral con jerarquía espacial (conocido como SHINE por sus siglas del inglés spatially hierarchical integrated nanosynthesizer) de carácter  multifuncional, que transporta los dos ingredientes necesarios, plata y selenio para formar el punto cuántico de Ag2Se.  

El SHINE integra una fuente de plata encapsulada en ferritina con una fuente de selenio sintetizada específicamente para este propósito, ambas localizadas en una nanocápsula cubierta de sílice físicamente aislada y sensible al glutatión. La clave del sistema reside en su liberación secuencial: la capa de sílice actúa como un temporizador que regula el momento exacto en que se liberan ambos precursores.

El mecanismo se activa gracias al propio tumor. Las células cancerosas poseen un microambiente rico en glutatión, un antioxidante endógeno. El glutatión degrada la cubierta de SHINE y libera primero el selenio y luego la plata. Dentro del tejido maligno, ambos componentes reaccionan espontáneamente para formar nanocristales de Ag2Se de tan solo 3 nm.

En ensayos con modelos murinos, la fluorescencia debida a la excitación con el láser iluminó los tumores dos horas después de la inyección y se mantuvo estable durante días. Además de actuar como agentes de imagen (para diagnóstico), el proceso ofrece una función terapéutica adicional. La formación de las partículas de Ag2Se agota el glutatión del tumor, debilitándolo e incrementando el estrés oxidativo. Al aplicar la luz infrarroja, NIR II, los puntos cuánticos alcanzan temperaturas de 50–56 °C, destruyendo las células cancerosas mediante terapia fototérmica. El crecimiento tumoral se reduce en más del 50 %, y con la irradiación láser se incrementa la inhibición hasta en un 70 %.

Este avance demuestra una metodología para la producción controlada de nanomateriales funcionales dentro de organismos vivos y hace posible la síntesis de agentes diagnósticos y terapéuticos in situ, evitando la toxicidad de administrar nanopartículas prefabricadas.

Angewandte Chemie International Edition

Síntesis y ensamblaje activo de redes de ADN empleando nanomáquinas biomoleculares

 

Las células utilizan nanomáquinas moleculares, como enzimas y proteínas motoras, para realizar trabajo y controlar activamente la organización de la materia en su interior. En este contexto, los microtúbulos -estructuras filamentosas, formadas por proteínas de tubulina, que son parte del citoesqueleto celular- funcionan como vías para el transporte y la organización de componentes dentro de las células. Sobre los microtúbulos se desplazan proteínas motoras, como las cinesinas y las dineínas, que transportan moléculas en distintas direcciones: las cinesinas, del centro de la célula hacia la membrana, y las dineínas, en sentido contrario. Para desplazarse, estas proteínas utilizan la energía química del ATP.

Estos procesos dependientes de la energía del ATP se conocen como ensamblaje activo, y permiten la generación de estructuras y de transformaciones complejas que difícilmente podrían producirse mediante el autoensamblaje convencional. Comprender y reproducir el ensamblaje activo representa un reto importante para las nanociencias, ya que permitirá fabricar materiales con un alto nivel de organización y con respuestas dinámicas.

Un equipo de investigadores de Japón desarrolló una estrategia para fabricar materiales utilizando una de estas nanomáquinas biomoleculares. Unieron cadenas de ADN a microtúbulos y aumentaron la longitud de las cadenas mediante la enzima ADN polimerasa -la enzima encargada de replicar el material genético. Después, colocaron los microtúbulos en una cámara en cuya superficie se encontraban cinesinas ancladas. 

Observaron, mediante microscopía de fluorescencia, que al agregar una solución que contenía ATP se generaba movimiento de los microtúbulos, provocando que las cadenas de ADN enlazadas a ellos se estiraran y entretejieran hasta formar una red bidimensional en pocos minutos. Finalmente, determinaron que la concentración de microtúbulos y el tiempo de síntesis del ADN modificaban la conectividad y complejidad de la red bidimensional. 

El sistema ADN–microtúbulos ofrece un modelo para estudiar cómo las fuerzas generadas por motores moleculares pueden controlar la formación, conectividad y organización de redes. Además, una secuencia de ADN puede diseñarse para programar las interacciones y la conectividad de la red. El trabajo propone una estrategia para fabricar biomateriales mediante nanomáquinas moleculares activas que permitirá desarrollar materiales bioinspirados con propiedades adaptativas y potencialmente de auto-regeneración. 

Para mayores detalles consultar:

Small

Remoción magnética de PFAS del agua - desde moléculas hasta microplásticos

 

Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, (PFAS, por sus siglas del inglés per- and polyfluoroalchyl substances) son compuestos sintéticos conocidos como "químicos eternos", presentes en muchos productos industriales y de uso común; por ejemplo, utensilios de cocina antiadherentes, textiles resistentes al agua o a las manchas, envases para alimentos, espumas para combatir incendios, entre otros. Forman parte de los contaminantes más problemáticos del presente por su resistencia a la degradación química tanto por calor, como por agua o aceite. Son extremadamente durables y acumulativos en el medio ambiente así como en organismos vivos, y su eliminación del agua ha probado ser muy difícil. 

Se utilizaron nanopartículas superparamagnéticas comerciales de óxido de hierro (SPIONs, por sus siglas en inglés, superparamagnetic iron oxide nanoparticles). Estas nanopartículas, de γ-Fe₂O₃ y con un diámetro promedio de 10.7 nm, fueron recubiertas con una monocapa autoensamblada de moléculas basadas en ácido fosfónico, capaces de establecer interacciones hidrofóbicas y electrostáticas con las PFAS. Estas interacciones no covalentes favorecen la adsorción de las PFAS sobre la superficie de las nanopartículas y, juntas, se pueden remover del agua.

Los investigadores se enfocaron en remover PFAS de distintos tipos, desde nanoplásticos hasta microplásticos fluorados que se encuentran, por ejemplo, en agua utilizada en el lavado de ropa o que contiene cosméticos. Demostraron que las SPIONs pueden remover PFAS de distintas dimensiones. Una vez eliminadas las PFAS, las SPIONs pueden ser reutilizadas.

Esta tecnología también se aplicó a fuentes de agua para consumo humano, como agua de río contaminada por el lavado de tierras o de textiles. La investigación probó que se puede reducir la concentración de PFAS en un 87%, incluso por debajo del límite de la norma alemana de 100 nanogramos por litro. 

La metodología propuesta demostró su capacidad para eliminar contaminantes tanto a nivel molecular como partículas microscópicas. Destaca el potencial de las SPIONs como una plataforma sustentable para el tratamiento de aguas que contienen mezclas complejas de estas sustancias contaminantes.

Para mayor información, consultar: Materials Today

doi: 10.1016/j.mattod.2026.103471

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

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