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: 

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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