Soluciones nanoestructurales ab initio a partir de la difracción de polvos de nanocristales mediante modelos de difusión

 

Durante el último siglo, el desarrollo de la ciencia de materiales ha dependido de la determinación cada vez con mayor precisión de las disposiciones atómicas, es decir, de la estructura cristalina y sus propiedades. Con este fin, se aplica la difracción de rayos-X (XRD, del inglés X-ray diffraction), y la condición sine qua non es contar con un cristal simple o monocristal, pero esto no siempre es viable, especialmente con cúmulos atómicos de tamaño nanométrico (menores a 1000 Å), conocido como el problema de la nanoestructura. En estos casos, los patrones de difracción de polvos (PXRD) se degradan por el ensanchamiento, la pérdida de intensidad y la superposición de los picos de Bragg.

Investigadores de Estados Unidos y Alemania, propusieron un procedimiento que utiliza un modelo generativo* de aprendizaje automático (o generative machine learning) mediante procesos de difusión, entrenado con las 45,229 estructuras conocidas. El modelo empleado, PXRDnet, condicionado únicamente por la fórmula química del compuesto, puede resolver nanocristales simulados de hasta 10 Å en 200 materiales con distintas simetrías y complejidades, incluyendo los siete sistemas cristalinos. 

PXRDnet identifica candidatos estructurales correctos en 4 de cada 5 casos, con un error promedio de tan solo el 7 % en el factor de refinamiento Rietveld R. Además, puede resolver estructuras a partir de patrones de difracción ruidosos obtenidos experimentalmente. 

Los autores sostienen que este enfoque basado en datos, autoconsistente con simulaciones teóricas (“bootstrapped”), abre nuevas posibilidades para determinar estructuras de nanomateriales previamente no resueltas. Sin embargo, el modelo presenta limitaciones: requiere conocer previamente la fórmula química, y solo considera estructuras con menos de 20 átomos por celda unidad.

*El término “generativo” aplicado al aprendizaje automático describe una clase de modelos estadísticos que contrasta con los modelos discriminativos. Los “modelos generativos” pueden generar instancias de datos nuevas. Los modelos discriminativos disciernen entre diferentes tipos de instancias de datos.

El trabajo fue publicado por Nature Materials

Polímeros bidimensionales interconectados mecánicamente

 

    Gracias a avances recientes en los métodos de síntesis, los enlaces mecánicos entre moléculas con subunidades interconectadas -que solo pueden separarse al distorsionar sus enlaces químicos- se utilizan ahora como componentes funcionales en sistemas moleculares. Este avance dio origen a un nuevo campo: la nanotecnología molecular. En él, mediante el control de los movimientos relativos de las subunidades moleculares, es posible construir interruptores y motores moleculares, sistemas de almacenamiento de información y otros dispositivos que operan fuera del equilibrio. En polímeros o materiales en bulto, estas interconexiones confieren propiedades mecánicas únicas.

Un equipo de investigadores de varias universidades de Estados Unidos desarrolló un proceso de polimerización en estado sólido mediante el cual, un monómero cristalino con estructura laminar, 2D-TPE-PhOH (tetrafeniletileno-fenol), se interconecta con otro monómero cristalino idéntico a base de puentes de hidrógeno entre radicales hidroxilo en los extremos que reaccionan selectivamente para formar interconexiones con siloxano,  que resultan de la reacción con SiMe₂Cl₂ (dialquildiclorosilano). De esta forma se forma un macrociclo que consiste de dos polímeros cristalinos-2D interconectados por medio del siloxano, que se puede repetir. El resultado es un sólido con estructura laminar que se separa fácilmente en disolventes orgánicos comunes. El material disperso, hasta de monocapas atómicas 2-D, se puede caracterizar con los métodos  modernos de microscopía electrónica de transmisión con resolución atómica y así se confirma su estructura cristalina  y flexible. Con este método se logran materiales a escala de multigramos. A este tipo de materiales se les llama materiales interconectados mecánicamente (MIM por sus siglas del inglés mechanically interlocked materials). Anteriormente, estos autores ya habían reportado la cristalización de la estructura MIM 2-D de TPE-PhOH.

Los MIMs se han utilizado para la producción de fibras, mezclándolos con Ultem, un termoplástico de polieterimida (PEI) con excepcionales propiedades mecánicas y térmicas. Este material en sí tiene una mayor rigidez y resistencia, y la adición de un 2.5% en peso del nuevo polímero 2D a las fibras de polieterimida ha aumentado su módulo de elasticidad en un 45% y su tensión límite (esfuerzo máximo o esfuerzo último) en un 22%.

Con este trabajo se demuestra la capacidad de diseñar y construir arquitecturas de polímeros interconectados y MIMs-2D, que de otra manera serían inaccesibles y que constituyen una clase diferente de polímeros para estudios básicos y novedosas aplicaciones.

Más información en: SCIENCE

Síntesis de metales bidimensionales por compresión van der Waals (vdW)

 

Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, los materiales bidimensionales (2D) han llamado la atención de la comunidad científica. A la fecha, se conoce una gran variedad de materiales 2D, como los MXenos y los dicalcogenuros de metales de transición o las monocapas formadas por un solo tipo de átomos de algunos elementos (entre ellos C, Si, Ge, P). La mayoría de estos materiales crece tridimensionalmente formando estructuras gobernadas por fuerzas de van der Waals (vdW), por lo que la exfoliación de una capa a escala atómica puede ser obtenida fácilmente. 

Sin embargo, este no es el caso de los metales, pues éstos crecen tridimensionalmente mediante la fuerte interacción de sus enlaces químicos. Hasta ahora se creía que obtener una capa a escala atómica de cualquier metal era prácticamente imposible, pues además sería termodinámicamente inestable.

Recientemente, un grupo de investigadores de China logró obtener metales bidimensionales con espesores del orden de ángstroms mediante una técnica denominada compresión vdW. Para realizar este proceso, primero crecieron una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2) sobre sustrato de zafiro. Esta doble capa funciona como soporte o yunque inferior. Sobre la monocapa de MoS2 colocaron una cantidad de metal que calentaron hasta formar una gota. Sobre la gota de metal colocaron otro yunque de MoS2/zafiro, situando el MoS2 en contacto con el metal fundido. A continuación, ejercieron una presión de 200 MPa que se mantuvo hasta que ambos yunques regresaron a la temperatura ambiente. El metal 2D se obtuvo mediante un proceso de clivado para separar la capa MoS2/metal-2D/MoS2 de los sustratos de zafiro. 

Mediante esta simple y efectiva técnica se han logrado obtener metales bidimensionales empleando Bi, Sn, Pb, In y Ga. Las propiedades de transporte medidas mediante espectroscopía Raman en Bi 2D revelan una mejora en la conductividad eléctrica, así como en el efecto de campo y mayor conductividad por efecto Hall no lineal.

Así se abre la puerta a una nueva línea de investigación dedicada al estudio de los metales, aleaciones y materiales no laminares a escala 2D, y el estudio de sus propiedades e implementación en diferentes dispositivos tecnológicos.

Mas información en: Nature

Las nanopartículas de oro conjugadas con aptámeros para la entrega dirigida de microARNs promueven la regeneración de músculos distróficos

 

La distrofia muscular de Duchenne es un trastorno genético caracterizado por la pérdida progresiva de masa muscular debido a mutaciones en el gen de la distrofina, una proteína esencial para la estabilidad del músculo. Sin la proteína funcional correspondiente, los músculos no pueden funcionar ni repararse adecuadamente, lo que resulta en el deterioro de los músculos esqueléticos, cardíacos y pulmonares.

En condiciones normales, cuando un músculo sano se daña, se activan células llamadas células satélite, que se diferencian y contribuyen a la regeneración muscular. Sin embargo, en la distrofia muscular de Duchenne, la distrofina está defectuosa lo que hace que las fibras musculares sean más vulnerables al daño. Como consecuencia, las células satélite permanecen activadas de manera continua, lo que provoca inflamación y, eventualmente, su agotamiento y muerte, lo cual contribuye al deterioro progresivo del tejido muscular característico de la enfermedad.

Los microARNs son una clase de ARN que desempeña funciones cruciales en la regulación post-transcripcional de los genes. Inhiben a los ARN mensajeros, evitando la producción de proteínas defectuosas. Sin embargo, su administración a través del torrente sanguíneo es complicada debido a su baja estabilidad y penetración.

Un grupo de investigadores diseñó una estrategia para tratar la distrofia muscular mediante el uso de nanopartículas de oro (AuNPs) como vehículos para transportar microARNs terapéuticos a las células musculares. Para reconocer a estas células, las nanopartículas se funcionalizaron con moléculas llamadas aptámeros que identifican la integrina α7/β1, un receptor de superficie muy específico expresado por progenitores musculares y miofibras diferenciadas, que está virtualmente ausente en otros órganos o tejidos.

Una vez que el sistema entra en las células madre musculares, las nanopartículas liberan los microARN para estimular la producción de fibras musculares. En este caso, los microARNs inhiben a los ARN mensajeros, evitando la traducción de la distrofina mutada (defectuosa). 

Como resultado, las células satélite no se activan de forma exagerada, sino de manera funcional. Los investigadores reportaron la actividad del sistema en modelos celulares y animales, donde observaron regeneración muscular a nivel celular, pero también recuperación a nivel funcional. Los músculos de los ratones tratados mejoraron y se fortalecieron después del tratamiento, aumentando la capacidad funcional de los ratones.

Para mayores informes consultar: Nature Communications

Síntesis de nanoestructuras de ZnO mediante un concentrador de calor solar de baja temperatura

 

Esquema e imagen del Colector Solar CPC e imagen SEM del ZnO sintetizado

Se ha reportado ampliamente que el calor obtenido de la radiación solar puede ser aplicado a la síntesis de nanomateriales. En el caso de óxido de zinc (ZnO), que es el nanomaterial de interés en este trabajo, ya se ha sintetizado previamente utilizando calor solar a alta temperatura, mediante métodos de depósito de vapores producidos por mecanismos físicos (PVD por sus siglas del inglés physical vapor deposition). 

En este trabajo, un grupo de investigadores de México (CNyN-UNAM, CICESE y UABC) proponen evaluar un nuevo enfoque para la producción de ZnO mediante un colector solar parabólico compuesto (CPC), con un receptor cilíndrico que genera calor a baja temperatura.

 Los autores colocaron los precursores nitrato de zinc( Zn(NO3)2) e hidróxido de sodio dentro del reactor  que, a su vez, se encuentra dentro del CPC. En este arreglo, el colector es tanto generador de calor como reactor para la síntesis. 

Las temperaturas de la síntesis van de 50° a 70°C. Utilizando calor solar, se obtuvieron cúmulos cristalinos de ZnO puro, cuyos tamaños van de 40.4 nm a 55.7 nm, con una banda prohibida de 3.27eV, ligeramente menor  a la que obtuvieron por otros métodos a 50°C. La absorbancia fue de 90% en el ZnO sintetizado, independientemente de la temperatura de síntesis. 

En este trabajo se confirmó la viabilidad para producir ZnO de alta calidad utilizando calor solar a baja temperatura, lo que constituye un nuevo enfoque de “química verde” y una fuente de energía renovable para la síntesis de nanomateriales. 

Para más detalles consultar: Journal of Nanotechnology