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 

Efecto piezoeléctrico auxético en heteroestructuras

 

Las estructuras o materiales auxéticos (del griego auxein, expandirse) tienen un coeficiente de Poisson negativo; es decir, se expanden en la dirección transversal cuando se estiran longitudinalmente o adelgazan cuando se comprimen. Por su parte, los materiales piezoeléctricos son aquellos materiales funcionales que, cuando se deforman elásticamente, pueden cambiar sus dimensiones en respuesta a un campo eléctrico E o cambiar su estado de polarización eléctrica P cuando se deforman elásticamente.

La ruptura de simetría que ocurre en la interfase de una heteroestrucura es fundamental para una multitud de efectos físicos. Recientemente se ha demostrado que la asimetría de la interfase puede inducir efectos piezoeléctricos en las heteroestructuras, incluso en aquellas formadas por semiconductores centrosimétricos. 

Un grupo de investigadores de Reino Unido y China, empleando la ingeniería de la simetría de la interfase, logró fenómenos piezoeléctricos que se comportan como un análogo eléctrico del índice de Poisson negativo. Este efecto, se denomina efecto piezoeléctrico auxético. Bajo la acción de un estímulo eléctrico externo, los coeficientes piezoeléctricos longitudinal (d33) y transversal (d31, d32) exhiben el mismo signo, lo que permite una contracción o expansión simultánea en todas las direcciones. Para el estudio fabricaron superredes de SrTiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3/BaTiO3 orientadas (001) y (111), cuyas capas son de alrededor de 3 nm y tienen un espesor total de 100 nm. Encontraron que, controlando la anisotropía en el plano, los signos de los coeficientes transversales se pueden ajustar aún más.

Estos resultados permitirán explorar el efecto piezoeléctrico en una amplia gama de materiales semiconductores y configuraciones de heteroestructuras con enfoques innovadores para diseñar y optimizar dispositivos electromecánicos (filtros, sensores y actuadores) compatibles con la tecnología complementaria de semiconductores de óxidos metálicos.

Publicado en Nature Materials

Elaborada el 17 de enero de 2024

Ensamble en 3-D de una red de MXenos utilizando una cerámica porosa como andamio

 

Los carburos de metales de transición (MXenos) son novedosos nanomateriales-2D con propiedades excepcionales y aplicaciones en el almacenamiento de energía, la catálisis y para la conversión de energía. Sin embargo, son difíciles de ensamblar en estructuras-3D y eso ha limitado sus aplicaciones.

Investigadores de EUA resolvieron el problema mediante un sistema híbrido de materiales consistente en una red de MXenos producidos sobre un andamio de cerámica (sílica) porosa (MX-PS).

Este nuevo material de sílica moldeada en frío y de porosidad controlada, facilita el ensamble de los planos de Mxenos. Los MXenos se infiltran y dispersan en los poros y al enfriarse se depositan en las superficies internas formando una red interconectada.  Por otra parte, la cerámica porosa le proporciona resistencia mecánica, permeabilidad a líquidos y gases, entre otras propiedades. 

Con este material se construyen supercapacitores tipo “sándwich” con electrodos de Ti3C2Tx (MX-PS) que presentan una excelente capacitancia de (7.24 F cm-2 ) y densidad de energía (0.32 mWh cm-2) con solo 6% de masa adicional. 

El novedoso enfoque para crear arquitecturas 3-D a partir de materiales 2-D seguramente tendrá un impacto significativo en muchas aplicaciones en la ingeniería de materiales.

Para más detalles ver:  Advanced Materials

Elaborada el 21 de noviembre 2023