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

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Crecimiento homoepitaxial a gran escala de MoS2 en un apilamiento romboédrico

Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades únicas que los hacen adecuados para su implementación en diferentes dispositivos tecnológicos. Manipular y modificar el apilamiento entre capas es una forma de modular sus propiedades

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) bidimensionales son importantes candidatos para la reducción de tamaño de los transistores. Estos materiales suelen estar apilados en un ordenamiento conocido como 2H, conformado por dos monocapas con rotación de 180°. Inducir un apilamiento artificial distinto (por ejemplo, el apilamiento romboédrico conocido como 3R en el que tres monocapas están desplazadas, sin rotación) les confiere propiedades exóticas como la ferroelectricidad, superconductividad, entre otras. Sin embargo, inducir este tipo de apilamientos no es tarea fácil, debido a la alta estabilidad termodinámica de los apilamientos 2H.

Científicos de universidades chinas han logrado obtener disulfuro de molibdeno (MoS2) en apilamiento 3R a gran escala (del orden de cm). Mediante la técnica de depósito por descomposición química de vapores (CVD por sus siglas del inglés chemical vapor deposition) depositaron una monocapa de MoS2 sobre un sustrato de zafiro. Una vez depositada la primera monocapa, el proceso de nucleación de la siguiente resulta crucial para lograr el apilamiento deseado, ya que, una vez formada, no es posible rotarla.

Este estudio propone, mediante cálculos DFT, que los defectos conocidos como antisitios (Mos) promueven el apilamiento 3R sobre el 2H. Experimentalmente se demostró la presencia de este tipo de defectos en las muestras con apilamiento 3R, mientras que no se observó en las muestras con apilamiento 2H, corroborando el mecanismo de crecimiento. Las muestras obtenidas demostraron poseen ferroelectricidad mediante la técnica de microscopia de piezofuerza (PFM del inglés piezoresponse force microscopy).

Dado que el MoS2-3R es un semiconductor con características ferroeléctricas, se propone para la fabricación de transistores de efecto de campo con compuerta de semiconductor ferroeléctrico (FeS-FETs por sus siglas del inglés ferroelectric semiconductor field effect transistors). Además, debido a la ventaja que representa obtener muestras de buena calidad y gran tamaño, se asegura la reproducibilidad de los dispositivos.

Más información en: Nature Materials

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Una nueva estrategia de edición genómica que utiliza nanopartículas lipídicas con ácidos nucleicos esféricos y CRISPR

Los sistemas CRISPR-Cas son una herramienta biológica descubierta recientemente que funciona como “tijera molecular”, capaz de localizar y cortar fragmentos específicos del ADN para modificarlos o corregirlos con gran precisión. Esta maquinaria de edición génica ha transformado la biología al ofrecer la posibilidad de corregir errores genéticos.

No obstante, su mayor desafío ha sido transportar a la máquina de edición de manera segura y eficiente al interioir de las células, ya que los métodos tradicionales, como los vectores virales o nanopartículas lipídicas (LNPs), suelen presentar problemas de toxicidad, baja eficiencia o reacciones inmunes.

Un reciente estudio propone una solución innovadora al introducir la maquinaria CRISPR-Cas en nanopartículas lipídicas recubiertas con ácidos nucleicos esféricos (SNAs por sus siglas en inglés), lo que resulta en nanoestructuras de aproximadamente 130 nm. La capa externa de ADN facilita su entrada a las células, y el núcleo lipídico da estabilidad a la maquinaria CRISPR-Cas y permite su liberación controlada.

En la nanoestructura lipídica se incluyen tanto los plásmidos que codifican la maquinaria de CRISPR como los moldes necesarios para reparaciones de ADN por la vía HDR (reparación dirigida por homología). En resumen, este diseño permite una mejor captación celular de la nanopartícula, que a su vez contiene la maquinaria CRISPR-Cas. Se reduce la toxicidad y aumenta la eficiencia de edición genética.

El equipo de investigación probó esta estrategia en diferentes tipos de células, evaluando cuántas nanopartículas lograban entrar, si había efectos tóxicos y si la maquinaria CRISPR se entregaban de manera exitosa. Luego, analizaron el ADN celular para comprobar si la maquinaria CRISPR había hecho las ediciones esperadas.

Los resultados mostraron que este sistema no solo produjo las ediciones típicas de deleción de nucleótidos, sino también reparaciones precisas mediante la vía HDR. En comparación con LNPs convencionales, las nuevas estructuras fueron más eficientes, y no mostraron toxicidad, manteniendo además una alta viabilidad celular incluso a concentraciones elevadas.

Los investigadores destacan que estas nanopartículas híbridas, llamadas LNP-SNAs, podrían adaptarse en el futuro para dirigirse a órganos específicos. Gracias a su mayor seguridad y eficacia, los CRISPR-LNP-SNAs representan una plataforma versátil y escalable, que acerca cada vez más las terapias de edición genética a su aplicación clínica.

Más información en: PNAS

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Video de gato de Schroedinger hecho con átomos

La computación cuántica promete resolver problemas que resultan imposibles para las computadoras clásicas. En lugar de bits que solo pueden valer 0 o 1, las máquinas cuánticas usan cúbits, capaces de estar en varios estados a la vez. Esto multiplica la capacidad de cálculo, pero también plantea enormes retos: los cúbits son inestables y propensos a errores. 

Entre las distintas plataformas en desarrollo, los arreglos de átomos de Rydberg destacan por su potencial. En ellos, átomos individuales son atrapados con haces de luz llamados pinzas ópticas. 

Esta técnica ofrece gran precisión, permite conectar átomos de manera flexible y se puede ampliar a escalas muy grandes. Gracias a esto, ya se han demostrado pasos clave hacia la computación cuántica, como la corrección de errores y la simulación de fenómenos físicos complejos. 

Un obstáculo importante es que, al cargar los átomos en un sistema, muchas posiciones del arreglo quedan vacías. Para aprovechar todo el sistema se necesita reorganizarlos y formar un arreglo sin defectos. Los métodos tradicionales mueven los átomos uno por uno, lo cual resulta demasiado lento para miles de partículas.

La solución presentada por el equipo de investigación citado, combina inteligencia artificial (IA) con un modulador espacial de luz (SLM). Este dispositivo puede modificar un haz láser en tiempo real y, guiado por la IA, desplazar en paralelo a todos los átomos hacia sus posiciones finales. El proceso se divide en pasos muy pequeños para evitar pérdidas y errores.

El procedimiento funciona así: primero, se cargan átomos de rubidio de manera aleatoria. Una cámara registra la distribución y una red neuronal identifica qué sitios quedaron ocupados. Después, la IA calcula la ruta óptima para mover cada átomo. Finalmente, el SLM genera hologramas de luz que guían el movimiento simultáneo de todos los átomos hasta formar el arreglo deseado.

Con esta técnica se logró construir el arreglo libre de defectos más grande reportado hasta ahora: 2024 átomos perfectamente ordenados. Para demostrar el nuevo sistema de reordenamiento rápido de miles de átomos, los investigadores crearon una animación con el famoso gato de Schrödinger.

Este avance nos acerca a la posibilidad de contar con computadoras cuánticas más poderosas y, al mismo tiempo, abre la puerta a simulaciones de sistemas físicos imposibles de estudiar con las tecnologías actuales.

Para mayor información consultar: Phys. Rev. Letters

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