Nanoalambres flexibles de selenio con bandas prohibidas sintonizables

 

Los cambios en el tamaño y la forma geométrica de las nanopartículas permiten manipular las propiedades de los semiconductores sin alterar su composición química. Sin embargo, persiste el desafío de que, según el método de síntesis, la dispersión de los tamaños de las nanopartículas varía.

El uso de moldes de nanotubos para formar nanoalambres de selenio forma parte de la estrategia más amplia de emplear plantillas nanoestructuradas para controlar el crecimiento de nanomateriales unidimensionales. Aunque el selenio, por su naturaleza anisotrópica, ya de sí cristaliza formando estructuras alargadas, las plantillas de nanotubos de carbono (CNT), óxido de aluminio anódico u otras nanoestructuras huecas, permiten un control preciso del crecimiento unidireccional del nanoalambre, su  tamaño, orientación y homogeneidad, además de proteger el material durante su formación. Estas estructuras núcleo-coraza, con núcleo de Se y coraza exterior protectora (nanotubo)  tienen aplicaciones en nanoelectrónica, fotoconductores y almacenamiento de energía.

Investigadores ingleses descubrieron distintas fases estructurales del selenio al confinarlo dentro de nanotubos de carbono y de nitruro de boro, observando una notable plasticidad estructural en nanoalambres con diámetros entre 0.4 y 3.0 nm. El experimento usó una muestra de nanotubo de nitruro de boro (BNNT) y cuatro de carbono (CNT) de diferentes diámetros, todas bajo condiciones experimentales idénticas. Se sublimó selenio para llenar los nanotubos y formar estructuras Se@CNT y Se@BNNT, con el fin de estudiar exclusivamente el efecto del diámetro del nanotubo sobre la estructura resultante del selenio.

Encontraron que el ancho de la banda prohibida de estos nanoalambres, entre 2.2 y 2.5 eV, depende del diámetro del nanotubo de forma no monotónica, debido a que las distorsiones en las cadenas de Se contrarrestan el confinamiento cuántico a escalas subnanométricas.

Los autores desarrollaron un diagrama de fases unidimensional que predice la estructura atómica del selenio según el diámetro del nanotubo, independientemente de su composición química. Esto demuestra que el confinamiento en nanotubos permite sintonizar con precisión la estructura y las propiedades electrónicas del selenio. La caracterización se realizó mediante microscopía electrónica avanzada y espectroscopía de pérdidas de energía electrónica (EELS) para determinar las bandas prohibidas.

Estos descubrimientos a nanoescala allanan el camino para el desarrollo de componentes electrónicos avanzados miniaturizados, sintonizables y flexibles, tales como transistores, sensores ópticos y sistemas fotovoltaicos.

Para mayor información, consultar: Advanced Materials

Células bipolares del ojo tratadas con nanovarillas de oro y activadas con láser infrarrojo para restaurar la visión

 La degeneración macular asociada a la edad (DMAE, por sus siglas en inglés) y la retinitis pigmentosa son causas significativas de pérdida de visión a nivel mundial, afectando cerca de 200 millones y 1.5 millones de personas respectivamente. En ambos casos existe una reducción en la sensibilidad lumínica de los fotoreceptores en la retina. Sin embargo, algunas neuronas retinales como las células bipolares y ganglionares permanecen funcionales lo cual ha resultado de interés en investigaciones para restaurar la visión.  

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Brown en Estados Unidos apunta hacia un nuevo tipo de sistema de prótesis visual en el que se utilizan nanovarillas de oro plasmónicas en combinación con un pequeño dispositivo láser integrado en unos anteojos.

Los investigadores inyectaron nanovarillas de oro en el humor vítreo del ojo de ratones las cuales se incorporaron a la retina y a las células bipolares y ganglionares. Posteriormente se utilizó un láser de barrido con longitudes de onda de la región infrarroja cercana al espectro visible y un tamaño de haz de 20 micras para enfocar luz infrarroja sobre las nanopartículas y generar una pequeña cantidad de calor que activó a las células bipolares y ganglionares. Este patrón de activación imitó las señales visuales naturales que procesa el cerebro a través de los pulsos de los fotorreceptores.

La estimulación láser causó un aumento en la actividad de la corteza visual de los ratones que indica que señales visuales, antes ausentes, estaban siendo transmitidas y procesadas por el cerebro. El estudio no encontró signos de toxicidad ni inflamación a lo largo de varios meses de seguimiento.

Este hallazgo sugiere la posible aplicación de una tecnología similar en humanos. El uso de luz en la región del infrarrojo cercano, en lugar de luz visible, para activar las células bipolares, no es invasivo ni interfiere con la visión residual que el organismo aún conserve. Son necesarias más pruebas antes de su uso clínico; sin embargo, estos hallazgos ya apuntan a una opción menos invasiva para la restauración de la visión.

Para mayores detalles consultar:

ACS Nano

Los grupos funcionales regulan la concentración de iones y el pH en nanoporos

Para comprender las reacciones químicas que ocurren dentro de los nanoporos de materiales nanoporosos, ya sean sintéticos o naturales, como los presentes en membranas o canales iónicos de sistemas biológicos, es fundamental conocer la concentración de iones en su interior. Para ello, los nanoporos se funcionalizan con grupos químicos específicos.

En este estudio, un grupo de investigadores de Estados Unidos reporta el desarrollo de un nanosensor plasmónico del tipo núcleo-coraza, compuesto por una nanobarra de oro recubierta con sílica mesoporosa funcionalizada con grupos fenilo y metilo. Este nanosensor es capaz de medir la concentración local de protones, aniones (como fosfatos, nitratos, sulfatos y arsenatos), así como cationes (como mercurio, plomo y cobre) en nanoporos funcionalizados. Las mediciones se realizaron mediante espectroscopía Raman amplificada por superficie (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), aplicada in situ.

Los valores obtenidos se comparan con los correspondientes a la sílica en volumen. Además, los resultados indican que estas concentraciones de iones son diferentes en nanoporos prístinos e hidrofóbicos en comparación con nanoporos funcionalizados con radicales fenilo y metilo. En éstos, reportan un aumento en la concentración de aniones y una disminución en la concentración de cationes de manera concurrente. Por otra parte, el pH en los nanoporos resulta dependiente de la composición de la solución. Encontraron que, en algunos casos, el pH en los nanoporos podía disminuir hasta en 2.5 unidades con respecto a su valor en el volumen. 

Estos resultados proveen información acerca de la interacción química ión-nanoporo, es decir, y permiten controlar contaminantes de manera precisa y selectiva con aplicación directa en la química del agua para procesos de desalinización basados en membranas, para almacenamiento de CO2 y para la catálisis en materiales porosos.

Más información en: ACS Applied Materials and Interfaces

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