Nanocompositos de sulfuros de NiFe y MXenos de Ti3C2 para la electrólisis de agua de mar con alto rendimiento

 

Para remediar la escasez de energía y reducir las emisiones de carbono causadas por el uso de combustibles fósiles, es necesario generar energía limpia y sostenible. Para este fin, una solución posible y de gran interés es la generación de hidrógeno “verde” mediante la electrólisis del agua, utilizando fuentes renovables de electricidad (solar o eólica).  El uso de membranas de intercambio aniónico que funcionen en un sistema de baja alcalinidad surge como una tecnología prometedora, pues integra los méritos de bajo costo y alta eficiencia de la electrólisis del agua alcalina con los de la electrólisis del agua empleando membranas de intercambio de protones, una técnica que ha demostrado compatible con las fuentes renovables de electricidad.

Sin embargo, ante los escasos recursos de agua dulce, la electrólisis directa del agua de mar es sumamente atractiva para la futura producción de hidrógeno a gran escala. No obstante, hasta la fecha, no se han logrado avances satisfactorios en el desarrollo de sistemas basados en membranas de intercambio aniónico. Un enorme desafío que se enfrenta es contar con electrocatalizadores altamente estables durante la reacción de generación de oxígeno (OER, del inglés oxygen evolution reaction) y altamente resistentes a la corrosión por cloruro.

  Un grupo de investigadores de China, desarrolló un nanocomposito electrocatalizador robusto para la electrólisis de agua de mar mediante la integración del MXeno (Ti3C2) con sulfuros de NiFe ((Ni,Fe)S2@Ti3C2). Empleando una serie de caracterizaciones y cálculos DFT, demostraron que la fuerte interacción entre (Ni,Fe)S2 y Ti3C2 regula la distribución de electrones para activar la OER y, en particular, prohíbe la disolución de especies de Fe durante el proceso a través del enlace Ti-O-Fe, logrando una estabilidad notable. Además, la buena retención de sulfatos y los abundantes grupos de Ti3C2 proporcionan una resistencia efectiva al Cl-. 

En consecuencia, el nanocomposito (Ni,Fe)S2@Ti3C2 logra una alta actividad OER (1,598 V a 2 A cm-2) y alta durabilidad  de más de 1000 h en el sistema de agua de mar. Además, se consigue la electrólisis con una densidad de corriente industrial (0,5 A cm-2) y durabilidad (500 h) mediante el ánodo (Ni,Fe)S2@Ti3C2 y el cátodo de Ni Raney con eficiencia del 70% y consumo de energía de 48,4 kWh kg-1 H2.

Este trabajo proporciona una metodología eficiente para abordar la electrólisis de agua de mar basada en membranas de intercambio aniónico, resolviendo el problema de la desactivación de catalizadores de metales de transición inducida por la disolución de metales activos y/o la corrosión por cloruro.

El trabajo fue publicado en Nature Communications

Algoritmos de machine learning para el cálculo de la estructura electrónica de moléculas

 

Los métodos computacionales dedicados al estudio de moléculas y materia condensada son de vital importancia en física, química y ciencia de materiales. Esta metodología es utilizada para describir mecanismos a nivel atómico y acelerar el diseño de materiales. A pesar de la gran variedad de metodologías computacionales, el cálculo de la estructura de electrónica es el cuello de botella que limita la velocidad de cómputo y escalabilidad.

El aprendizaje automático o “machine learning” (ML) es un subconjunto de la inteligencia artificial que permite a las computadoras aprender de los datos y mejorar su rendimiento por medio de algoritmos capaces de analizar una gran cantidad de datos, identificar patrones y realizar predicciones. Por ello, ML es una herramienta poderosa para la predicción de propiedades a nivel atómico con un menor gasto de tiempo y costo computacional en comparación con los métodos convencionales. 

En los últimos años, el ML ha sido aplicado en simulaciones moleculares usando como base de aprendizaje los cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Sin embargo, DFT induce un error sistemático en el cálculo de las propiedades electrónicas del sistema, lo cual conlleva a la pérdida de precisión.

Para solventar esta problemática, científicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) desarrollaron el método de ML-unificado para el cálculo de la estructura electrónica de moléculas orgánicas. Utilizaron la teoría CCSD(T) (del inglés coupled-cluster singles, doubles and perturbative triples), más precisa que DFT, pero que requiere mayor gasto computacional conforme el tamaño de la molécula aumenta. Para entrenar dicho algoritmo, utilizaron 70 moléculas diferentes con 7440 configuraciones atómicas distintas. Entre los resultados que obtuvieron mediante ML, se calcularon entalpias de formación de las moléculas que se compararon con resultados experimentales, encontrando diferencias de 0.1-0.2 Kcal/mol. Asimismo, los espectros de infrarrojo simulados concordaron con datos experimentales en la posición del pico y la intensidad. 

A pesar de los buenos resultados, esta metodología aún no ha sido implementada en sistemas periódicos (cristales); sin embargo, los autores creen que esto es posible y se espera que en los próximos años revolucione la forma en que se diseñan los materiales.

Mas información en: nature computational science

Mecanoquímica en el espacio promovida por el bombardeo de nanometeoroides a un asteroide

 

En el Universo ocurren fenómenos que dependen de partículas de tamaños micro y nano que, aceleradas por el campo magnético interplanetario, impactan y transforman a los cuerpos celestes produciendo cambios en su superficie, un proceso llamado meteorización espacial. 

En 2018-2019, la nave espacial Hayabusa2 lanzada por Japón obtuvo espectros de reflectancia infrarroja in situ de la superficie del asteroide (162173) Ryugu, que mostraron una banda de absorción de ∼2,7 μm correspondiente a vibraciones O-H en los filosilicatos del asteroide. Mediante un impacto dirigido, la nave espacial Hayabusa2 creó un cráter de ∼1 m de profundidad en la superficie del asteroide y los espectros de reflectancia infrarroja cercanos al cráter mostraron una banda de absorción de intensidad mayor a ∼2,7 μm.  Estos resultados sugieren que la superficie del asteroide sufrió un proceso de deshidratación (disociación de enlaces O-H). 

Para estudiar el mecanismo de disociación de dichos enlaces químicos, los autores del presente estudio aplicaron métodos de simulación mediante dinámica molecular reactiva. El modelo consideró el bombardeo de filosilicatos del asteroide con un impactador cuyo diámetro (D) se fijó en 1 o 2 nm. En ausencia de los campos magnéticos del plasma del viento solar interplanetario, las velocidades medias de impacto de los nanometeoroides son de 10 a 20 km/s. Como resultado del impacto, se disociaron aproximadamente 200 enlaces O-H en los filosilicatos. Cuando el impactador fue acelerado por el campo magnético interplanetario, la velocidad de impacto aumentó en 1 orden de magnitud (hasta ∼300 km/s), y se disociaron más de 1000 enlaces O-H, incluso con nanometeoroides de D = 1nm.

La deshidratación de los minerales de la superficie del asteroide se atribuyó a la energía  cinética de los impactos, que provocan un calentamiento local en el punto de impacto de más de 1000 Kelvin.

Este descubrimiento ayuda a comprender aspectos de la evolución de la composición química de los asteroides y el impacto de los nanometeoroides en el medio interplanetario.

Para mayor información consultar The Astrophysical Journal

Perfilado de microARNs en exosomas urinarios para la detección temprana de cáncer

   

  

Los microARNs (miARNs) son especies de ARN que han sido utilizadas como indicadores de distintos escenarios cancerígenos ya que se ha observado que difieren entre personas sanas y personas enfermas. Considerando el hecho de que las células cancerígenas pueden regular varios procesos biológicos mediante los miARNs, se estima que existe una relación entre el tipo de miARNs que circulan en el torrente sanguíneo y la forma de cáncer presente.

Un grupo de científicos en Japón estudiaron los exosomas, pequeñas vesículas extracelulares de alrededor de 200 nm de diámetro que actúan como vehículos de comunicación celular. Desarrollaron un nuevo método para la detección temprana del cáncer mediante el perfilado de miARNs encapsulados dentro de los exosomas. Los investigadores utilizaron nanoalambres de óxido de zinc para capturar y analizar más de 2,500 especies de miARNs exosomales en muestras de orina. Esta cantidad representa casi la totalidad de especies de los miARN que circulan en el torrente sanguíneo de los humanos. 

Los resultados sugieren que los miRNAs presentes en la orina no solo provienen de procesos normales de filtrado renal, sino que también pueden estar vinculados a la actividad tumoral, lo cual destaca el potencial de los miARNs urinarios como biomarcadores no invasivos para la detección temprana de cáncer. El análisis de datos reveló diferencias significativas en los niveles de expresión de varios miARNs entre pacientes con cáncer y personas sanas. Mediante un enfoque de aprendizaje artificial, los investigadores identificaron conjuntos específicos de miARNs que permitieron la construcción de un modelo predictivo con una precisión del 99%. 

Esta técnica de biopsia líquida es menos invasiva y más accesible que las técnicas basadas en sangre por lo que podría mejorar la capacidad de los médicos para identificar el cáncer en sus etapas iniciales, facilitando tratamientos más efectivos y aumentando las tasas de supervivencia.

Para mayores detalles consultar:

Anal. Chem.

Uniones de efecto túnel formadas por defectos de superficie a escala atómica que se comportan como picoantenas

 

La manipulación de la luz a una escala inferior a su longitud de onda se logra mediante el confinamiento de campos electromagnéticos extremadamente grandes en nanoestructuras metálicas, que a su vez permiten resonancias localizadas de plasmones de superficie. 

Este es un tema de interés actual ya que los fluoróforos acoplados con las resonancias localizadas de plasmones de superficie emiten la luz de modo direccional. 

Por otra parte, las picocavidades plasmónicas (cavidades con un volumen inferior a 1 nm3 ) también pueden funcionar como antenas amplificadoras debido al confinamiento de un campo electromagnético extremadamente grande. Sin embargo, la dirección de sus emisiones de luz es difícil de controlar. 

En este trabajo, un equipo de investigadores de España demostró que la picocavidad que se forma entre la punta de oro de un microscopio de efecto túnel y una superficie de plata (1,1,1) con escalones monoatómicos produce perfiles de emisión direccional que demuestran la formación de picoantenas. Esta observación fue corroborada por cálculos de teoría electromagnética que mostraron que la direccionalidad de las emisiones se debe a la reconstrucción e inclinación de la superficie inducida por la interacción entre la punta del microscopio y un escalón de altura monoatómica. 

Estos resultados señalan nuevas rutas de investigación hacia dispositivos picofotónicos con estructuras texturizadas a escala atómica. Este comportamiento altamente anisotrópico podría resultar útil en campos asociados con sensores, información cuántica, almacenamiento de energía, entre otros.

Más información en:Science Advances