El primer éxito en la observación en tiempo real del proceso de solubilización de nanotubos de carbono por un plímero

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) de Japón tuvieron éxito al ver en tiempo real por primera vez en el mundo el análisis del proceso "plymer wrapping" proceso en el cual polímeros se envuelven alrededor de Nanotubos de Carbono de una sola capa.

Se espera encontrar diversas aplicaciones para nanotubos de carbono en diversos campos de electrónica orgánica, sensores químicos, celdas de combustibles etc. Pero el hecho que los nanotubos de carbono son extremadamente difíciles de disolver en agua y solventes orgánicos, ha sido un obstáculo para la investigación y las aplicaciones. Se han hecho muchas investigaciones en envoltura de polímeros, en donde nanotubos de carbono (CNT) son encerrados y disueltos por polímeros, como una solución efectiva para este problema, sin embargo no había sido posible de observar en tiempo real el mecanismo por el cual los polímeros se envuelven alrededor de CNT's, como resultado la solubilización de estos. 

La investigación fue llevada acabo utilizando el método de "stopped-flow" que es una de las técnicas para analizar cambio estructural dinámico instantáneo en biomoléculas tales como proteínas o ADN. Como resultado el equipo de investigadores tuvo éxito por primera vez en el análisis de la dinámica de un plímero envolviendos en un CNT.

Aunque nanotubos de carbono han sido difícilmente solubles, los resultados de esta investigación no solo aclara el mecanismo de envoltura de polímeros, que había estado por mucho tiempo sin explicación, también provee una clave para la producción en masa y aplicación práctica al premitir la solubilización de CNT's por envoltura de polímeros. Los resultados esperan contribuir a la producción eficiente por ejemplo, de desarrollo de nuevos agentes solubilizantes.

Los resultados fueron publicados por un boletín del American scientific journal, el 17 de enero del 2013.

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Investigadores hacen el "nanospinning" práctico.

Las nanofibras, tienen una amplia gama de aplicaciones posibles: andamios para la bioingeniería órganos, aire ultrafinas y filtros de agua, y la armadura de cuerpo ligero Kevlar, por nombrar sólo algunos.Luis Velásquez García, científico principal de investigación en el MIT Microsistems Technology Laboratories, y su grupo espera cambiar eso. En el Taller Internacional sobre Micro y Nanotecnología para la generación de energía y aplicaciones de conversión de energía en diciembre, Velásquez García, su alumno Felipe Ponce de León, y Frances Hill, un postdoc en su grupo, se describe un nuevo sistema para la hilatura nanofibras que deberían ofrecer importantes incrementos de productividad mientras que reduce drásticamente el consumo de energía.

Usando técnicas de fabricación comunes en la industria del microchip, los investigadores MTL construyó una matriz de una centímetro cuadrado de puntas cónicas, que se sumerge en un fluido que contiene un plástico disuelto. Se aplica entonces un voltaje a la matriz, produciendo un campo electrostático que es más fuerte en las puntas de los conos. En una técnica conocida como electrospinning, los conos expulsar el plástico disuelto como una corriente que se solidifica en una fibra de sólo 220 nanómetros de diámetro.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron un arreglo de cinco por cinco de los conos, que ya produce un aumento de siete veces en la productividad por centímetro cuadrado por encima incluso los mejores métodos existentes. Sin embargo, Velásquez García dice, debería ser relativamente fácil de empacar más conos en un chip, aumentando aún más la productividad. De hecho, dice, en el trabajo previo en una técnica similar llamada electrospray, su laboratorio fue capaz de meter a casi un millar de emisores en un centímetro cuadrado. Y varias matrices se podrían combinar en un panel para aumentar los rendimientos adicionales.

Una matriz muy pequeña de puntas de silicona intercaladas entre los electrodos obtiene "nanofibras" de plástico que pueden ser útiles para una variedad de aplicaciones. Crédito: Dominick Reuter

Debido a que el nuevo documento fue preparado para una conferencia de energía, se centra en las aplicaciones de la energía. Pero nanofibras podría ser útil para cualquier dispositivo que necesita para maximizar la relación de área superficial a volumen, afirma Velásquez García. 

Los condensadores de circuito componentes que almacenan la electricidad son un ejemplo, porque las escalas de capacitancia con el área superficial.Los electrodos utilizados en las pilas de combustible son distintos, porque la mayor área de superficie de los electrodos, la forma más eficiente que catalizan las reacciones que conducen a la célula. 

Otra aplicación prometedora de nanofibras es en mallas tan finas que permiten que sólo las partículas a nanoescala para pasar a través. El ejemplo en el paper otra vez proviene de la investigación energética: las membranas que separan las mitades de una pila de combustible.Pero mallas similar podría ser usado para filtrar el agua.

 Este tipo de aplicaciones, Velásquez García dice, dependen de manera crucial de la coherencia en el diámetro de la fibra, otro aspecto en el que la nueva técnica ofrece ventajas frente a sus predecesores.

Las técnicas existentes de electrospinning se basan generalmente en pequeñas boquillas, a través del cual el polímero disuelto se fuerza. Las variaciones en las condiciones de funcionamiento y en la forma de las boquillas puede provocar grandes variaciones en el diámetro de la fibra, y el sistema hidráulico de las boquillas significa que no pueden ser embalados tan estrechamente juntos. 

Algunos fabricantes han desarrollado hilado de fibras de dispositivos que utilizan campos electrostáticos, pero sus emisores se realizan mediante procesos mucho más crudas que las técnicas de fabricación de chips que los investigadores MTL explotados. Como consecuencia de ello, no sólo el arreglo de puntas mucho menos denso, los dispositivos también consumen más energía.

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Un paso hacia los motores moleculares artificiales

Un estudio publicado en Science demuestra que es posible usar la energía del movimiento de una molécula de hidrógeno para mover una máquina mecánica. El descubrimiento abre la puerta a la posibilidad de desarrollar motores moleculares que extraigan energía de esa manera.

Procesos como el movimiento de los fluidos, la intensidad de las señales electromagnéticas y la composición química están sujetos a fluctuaciones aleatorias que se conocen como ruido. Se sabe que se puede recolectar la energía procedente de este ruido, ya que en la naturaleza se dan procesos en los que eso ocurre.

Ahora, un equipo de científicos liderados por el español José Ignacio Pascual, responsable del grupo de nanoimagen del centro nanoGUNE de San Sebastián, ha descubierto que el movimiento aleatorio –el ruido– de una molécula de hidrógeno puede causar el movimiento periódico de un oscilador mecánico.

“Esto significa que la molécula más pequeña posible, la de hidrógeno, está ‘empujando’ un oscilador diez trillones de veces más masivo”, explica Pascual.

El experimento se desarrolló encerrando la molécula en el pequeño espacio entre una superficie plana y la punta afilada de un microscopio de fuerza atómica. Este microscopio utiliza el movimiento periódico de una punta situada en el extremo de un oscilador mecánico muy sensible. El movimiento aleatorio de la molécula ejerce fuerza contra la punta, haciendo que oscile.

La oscilación de la punta, a su vez, modula el movimiento de la molécula de hidrógeno. Esto da lugar a una 'danza' sincronizada de ambas, en la que la punta se mueve en su oscilación a distancias más largas que el tamaño de la molécula, usando la energía extraída del ruido.

Para inducir el movimiento de la molécula de hidrógeno, Pascual señala que “se hicieron pasar corrientes eléctricas a través de la molécula”, y añade que nada hace pensar que no pudieran usarse “otras fuentes de energía para generar estas fluctuaciones, como por ejemplo la luz”.

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Nuevo semiconductor bidimensional con bandgap ideal para energía solar.

Comparación de fotoluminiscencia de diferentes espesores de diseleniuro de molibdeno. La muestra con capa única tiene el valor más alto de fotoluminiscencia debida a su band gap directa. American Chemical Society 2012.

En el fondo, la investigación fotovoltaica consiste en encontrar materiales con propiedades específicas que los hacen buenos en la absorción de la luz solar y convertirla en electricidad. Los mejores materiales fotovoltaicos son semiconductores que tienen valores óptimos de band gap que van desde 1 hasta 1,6 eV, lo que les permite absorber determinadas partes del espectro solar en función del valor de la band gap. En un nuevo estudio, los científicos de materiales han sintetizado y caracterizado un nuevo material semiconductor que consta de un grosor atómico (0.7 nm) la capa de selenio y molibdeno que tiene una banda prohibida de realizar la cosecha solar y aplicaciones optoelectrónica, y también exhibe un comportamiento único.

Los investigadores, un equipo de la Universidad de California, Berkeley, MIT, y la Academia de Ciencias de China , han publicado su estudio en una edición reciente de la revista Nano Letters .

Además de su band gap atractiva, MoSe2 también es atractiva por otra propiedad inusual: casi se ha degeneran band gaps directas e indirectas, en el límite de capa, es decir, las band gaps directas e indirectas tienen casi la misma energía en la capa límite. Aunque los materiales con band gaps, tanto directos como indirectos pueden absorber fotones cuya energía está cerca de la brecha de energía, los materiales con band gaps directos no permiten que fotones de penetren, lo que los hace mejor (y más delgado por lo general) que los materiales absorbentes de luz con band gaps indirectas.

Imagen de una capa de seleniuro de molibdeno. American Chemical Society 2012.

MoSe 2 , como la mayoría de otros metales de transición calcogenuros, tiene una banda prohibida indirecta en forma a granel y una banda prohibida directa como una sola capa bidimensional. Típicamente, con el fin de transformar la banda prohibida indirecta para una banda prohibida directa, una sola capa debe estar físicamente aislada de una pieza de material a granel. 

En el nuevo estudio, los investigadores encontraron que podían cambiar la banda prohibida indirecta en una pieza pocos capas de MoSe 2 a una banda prohibida directa, simplemente mediante el aumento de la temperatura. Como explican los investigadores, el aumento de la temperatura a 100 ° C (212 ° F) provoca que las capas múltiples del material a disociar térmicamente entre sí debido a la expansión térmica del espacio entre las capas. Esencialmente, las múltiples capas cada actuar como capas individuales con intervalos de banda directos. La disociación levanta la degeneración de modo que el material se vuelve una banda mas directa y luminiscente.

Nanorresonadores para mejorar la calidad de la telefonía móvil

Esquema de un nanorresonador. (Foto: Purdue University)

El sector de las telecomunicaciones está tratando de construir sistemas que operen con canales más claramente definidos, para que mayor cantidad de canales puedan repartirse el ancho de banda disponible.

Para esto, se necesitan filtros más precisos para teléfonos móviles y otros dispositivos de radio. Tales filtros deben ser sistemas que rechacen el "ruido" y permitan que pasen sólo las señales cercanas a una frecuencia dada.

El equipo de Jeffrey Rhoads, Saeed Mohammadi y Hossein Pajouhi, de la Universidad Purdue, en West Lafayette, Indiana, Estados Unidos, ha dado ahora con un método para fabricar en grandes cantidades diminutos dispositivos mecánicos que podrían ayudar a que los usuarios de teléfonos móviles se libren de las molestias provocadas por las interrupciones de llamadas y las descargas lentas. Los dispositivos están diseñados para aliviar la congestión de las ondas radiales y mejorar así el rendimiento de teléfonos móviles y otros aparatos portátiles.

Estos nuevos dispositivos son resonadores nanoelectromecánicos, y contienen una diminuta "viga" de silicio que vibra cuando se le aplica una corriente.

Se ha demostrado que los nanorresonadores controlan sus frecuencias de vibración mejor que otros resonadores. Estos dispositivos podrían reemplazar componentes electrónicos convencionales para lograr una mayor eficiencia y un menor consumo de energía.

Además de su uso como futuros filtros para teléfonos móviles, esos nanorresonadores también podrían ser utilizados para sensores biológicos y químicos avanzados en aplicaciones médicas y de seguridad nacional, y posiblemente como componentes de ordenadores y otros dispositivos electrónicos.

Los resonadores pueden ser integrados con facilidad a sistemas y circuitos electrónicos, porque su técnica de fabricación es compatible con la tecnología CMOS, muy común en los chips.

En el trabajo de investigación y desarrollo también han intervenido Lin Yu y Molly Nelis.

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First-Of-Its-Kind Self-Assembled Nanoparticle for Targeted and Triggered Thermo-Chemotherapy

El entusiasmo por el potencial de nanopartículas dirigidas(NPs) que pueden ser controladas por estímulos fuera del cuerpo para terapia de cáncer ha ido creciendo en los últimos años. De manera mas específica, ha habido una atención considerable acerca de luz cercana al infrarrojo (NIR: Near InfraRed) como un método ideal para estimular nanopartículas desde el exterior de cuerpo. La NIR es mínimamente absorbida por la piel y el tejido, tiene la capacidad de penetrar el tejido profundo en una forma no invasiva y la energía de la luz NIR puede ser convertida en calor por los nanomateriales de oro para la ablación térmica efectiva de tejido enfermo.

En una nueva investigación de "Brigham and Women's Hospital" (BWH), los investigadores describen el diseño y la eficacia de las primeras en su tipo, nanobarras de oro auto-ensambladas, sensibles a NIR, que pueden dar una quimioterapia dirigida específicamente a células cancerosas y selectivamente liberar el fármaco en respuesta a un haz de luz externa, mientras que se crea calor para una termo-quimio mediada por la eficacia antitumoral. El estudio se ha publicado en Angewandte Chemie International Edition.

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Origen de la Mecánica cuántica narrado en 4 minutos.

Este video corto, es narrado por Niel Turok; director de Perimeter Institute for Theoretical Physics. Explica como surgió la mecánica cuántica de manera simple y rápida, incluso con un ejemplo explicado con galletas.

Para conocer un poco más acerca de:
Perimeter Institute for Theoretical Physics
Massey Lectures con Niel Turok

¿Cómo programar una computadora cuántica?

Conocemos la Ley de Moore, pero tal parece que esta apunto de "expirar". Michio Kaku explica como se solucionaría. "algunas personas dicen que las computadoras cuánticas reemplazarán a las computadoras actuales". Pero las computadoras cuánticas necesitan una arquitectura totalmente diferente y una manera de programar una computadora.

cuando se programa una computadora normal se le dice al chip como procesar información se tienen entradas y salidas, y un software que le dice al CPU que hacer; pero las computadoras cuánticas ne programan de este modo, éstas trabajan con átomos individuales, en vez de 0's y '1 se tienen quibits. esta es la fuente de las computadoras cuánticas, pero esto es precisamente su problema.

¿Cuál es el récord de cálculo para una computadora cuántica?

Para hacer vidrio más fuerte, hay que enfriarlo más lento

Peter Wolynes (Químico de Rice University) y el estudiante graduado Apiwat Wisitsorasak han determinado en un nuevo estudio que un proceso llamado deposición de vapor químico, que se utiliza industrialmente para hacer películas delgadas, podría producir un vidrio que resiste una gran presión sin romperse.

Ellos reportan sus resultados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Sus cálculos se basaron en una versión modificada de un modelo innovador matemático que Wolynes crea por primera vez para responder una interrogante de décadas de antigüedad sobre cómo las formas de cristal.

Con las modificaciones, la teoría Wolynes ahora puede predecir la resistencia a la rotura de cualquier vidrio, incluyendo las variedades comunes hechos de sílice y tipos más exóticos hechos de polímeros y metales.

Los científicos de materiales han debatido durante mucho tiempo la física de lo que ocurre cuando el vidrio se endurece y enfría. De hecho, la transición es uno de sus rompecabezas últimos grandes del campo. Temperaturas de refrigeración para determinados tipos de vidrio están bien definidos por siglos de experiencia, pero Wolynes argumenta que sea posible utilizar esta información para mejorar la resistencia final del vidrio.

Las propiedades elásticas del producto terminado y la energía configuracional (las fuerzas positivas y negativas entre las moléculas), celebrada en éxtasis por la "congelación" proceso de determinar qué tan cerca un vaso llega al ideal teórico, el más estable de vidrio es posible, dice.

"La impresión usual de vidrio es que, en comparación con otros materiales en su vida, parece fácil de romper", dice Wolynes, profesor de Ciencias y profesor de la química. "La realidad es que cuando está recién hecho y no esté rayada, el vidrio es muy fuerte".

La teoría no parece que se refieren a cristales, sin embargo. "En los primeros días, cuando la gente se midió por primera vez las propiedades de los cristales, se encontraron con que eran fácilmente rompible. Vidrio de sílice es muy alto punto de fusión, por lo que se espera que sea fuerte "

"Básicamente, hemos aplicado nuestra teoría de lo que determina la forma en que el líquido se reorganiza como se está convirtiendo en vidrio. A esto se añade la fuerza impulsora adicional cuando se aplica tensión, y ver lo que predice para el límite de lo mucho que se puede empujar antes de que los átomos de rodar una sobre la otra ", y el cristal se rompe.

Se toma nota de los resultados teóricos se asemejan a los experimentales para la mayoría de los materiales. "La buena noticia es, según esta teoría, si se puede hacer de un material que es mucho más cercano al ideal de cristal del vidrio que se obtendría si pudiera hacer lo infinitamente lentamente -. Entonces usted será capaz de aumentar su fuerza" Eso no puede ser posible mediante enfriamiento tradicional de lentes de sílice, metal y polímero, que los cálculos de los investigadores indican se acercan a sus límites.

Pero podría ser posible a través de la deposición de vapor de átomos, similar al proceso de deposición química de vapor utilizado en la microelectrónica y la nanotecnología para hacer películas delgadas. "Haría falta afinar la velocidad de deposición de las propiedades de transición de líquido / de cristal", dice Wolynes.

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Lentes planos ultrafinos

El concepto de discontinuidades de fase óptica se aplica al diseño y la demostración de libre de aberraciones lentes planas y axicons, que comprende una red en fase de  antenas ópticas ultrafinas espaciadas.(Subwavelenght-spaced).

Fibra óptica cuyo diámetro es menor que la longitud de onda de la luz que se propaga a través de la fibra, enredado en un cabello humano.

 Las lentes y axicons consisten en nanoantenas en forma de V  que introducen una distribución radial de las discontinuidades de fase, generando de ese modo frentes de onda esféricos, respectivamente, y no difractantes haces de Bessel en longitudes de onda de telecomunicaciones. Las simulaciones también se presentan para demostrar que los diseños libres de aberración son aplicables a las lentes de apertura numéricamente alta tales como los objetivos del microscopio planas.
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Electrónica sujeta a nuevas normas a escala molecular

De acuerdo con las leyes de circuito de Kirchhoff, la conductancia de la red de dos componentes en paralelo en un circuito electrónico es la suma de las conductancias individuales. Sin embargo, cuando las dimensiones del circuito son comparables a la longitud de coherencia de fase electrónica, efectos de interferencia cuántica juegan un papel crítico. En la escala molecular, los efectos de interferencia reduce dramáticamente la velocidad de transferencia de electrones a través de un  anillo de benceno "meta-conectado" en comparación con un anillo de benceno "para-conectado". En este sentido, es importante investigar la ley de superposición de los componentes de la conductancia en paralelo en una sola molécula de circuitos, en particular el papel de la interferencia. Sintetizar una serie de sistemas moleculares que contienen cualquiera de los dos, "espina dorsal" o "columna vertebral" en paralelo, unidos entre sí por un enlazador común en cada extremo. Una sola molécula de mediciones de conductancia y cálculos de transporte basado en el programa de teoría funcional de la densidad que la conductancia de una unión de doble cadena molecular puede ser más del doble que la de una unión de una sola cadena principal, proporcionando una clara evidencia de la interferencia constructiva.

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Una solución a pequeña escala de gran impacto

En los primeros días de la tecnología informática, interruptores mecánicos se utilizan para operaciones computacionales. "No se puede obtener cálculos rápidos utilizando interruptores mecánicos", dijo Siva­sub­ra­manian Somu( científico investigador en: Northeastern's Center for High-​​rate Nanoman­u­fac­turing).

A pesar de su relativa economía, las plantas de fabricación de CMOS(semiconductor complementario de metal-óxido, ocupado para la fabricación de circuitos integrados) cuestan alrededor de $50 mil millones de dólares.

En lugar de requerir varios pasos de fabricación de adición y eliminación de material, como en el caso de CMOS, el ensamblaje directo es un proceso  únicamente aditivo, que se puede hacer a temperatura y presión ambiente. Una planta de fabricación basado en esta tecnología, podría ser construido con aproximadamente $ 25 millones de dólares.

El equipo de investigación de CHN (Center for High-​​rate Nanoman­u­fac­turing) logró crear un inversor complementario utilizando disulfuro de molibdeno y nanotubos de carbono, en escala nanométrica este material empieza tener características de transistor, importantes para realizar un buen inversor.

El éxito representa un paso hacia la meta final de CHN permitiendo crear pequeñas y medianas empresas para desarrollar nuevas tecnologías,  basadas en microchips. Los resultados de la investigación fueron reportados en un artículo recientemente publicado en la revista Nanotechnology.

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Chip creado ocupando disulfuro de molibdeno