sábado, 17 de febrero de 2018

Nanopartículas, metagenómica microbiana y salud pública

En el artículo “Metagenomic analysis of microbial communities yields insight into impacts of nanoparticle design” publicado en la revista Nature Nanotechnology(15 de enero 2018) P. J. Vikesland y colaboradores, del Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS), Virginia Tech, USA, presentan una forma de investigar el efecto de las nanopartículas en un microbioma particular: mirando el ADN de una comunidad microbiana entera en lugar de especies individuales. La estrategia, denominada análisis metagenómico, secuencia el ADN de todos los microbios simultáneamente en una muestra, produciendo una visión general de los genes funcionales en ese entorno. En el  estudio analizaron las comunidades microbianas de lodo activado utilizado en las plantas industriales para descomponer los contaminantes de las aguas residuales. Estas comunidades comprenden una cantidad asombrosa de microorganismos, muchos de los cuales no se pueden cultivar en el laboratorio, e incluso si se pudiera, las complejas interacciones en las comunidades microbianas en el mundo real no pueden reproducirse mediante experimentos con unas pocas especies. Las nanopartículas usadas en la investigación fueron esferas y varillas de oro las cuales se introdujeron en las plantas de tratamiento de las aguas residuales.
Crédito:(ICTAS), Virginia Tech, USA 
Luego han realizado un análisis metagenómico a los 7 días y otro a los 56 días. Resultó que las nanopartículas modificaron la distribución de genes en la comunidad microbiana del lodo activado. Las nanopartículas esféricas tuvieron una mayor influencia que las nanobarras. Entre los genes afectados se han encontrado aquellos que ayudan a las bacterias infecciosas a evadir los antibióticos. Los resultados sugieren que el análisis metagenómico es una herramienta suficientemente sensible como para detectar cambios que otros métodos podrían pasar por alto y por ende para el diseño más seguro de los nanomateriales y de su implicancia en la  salud pública.

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sábado, 10 de febrero de 2018

Nanomotores ultrasónicos llegan a genes cancerígenos.

El complejo sgRNA-Cas9 es una herramienta efectiva de edición genómica, pero su administración a través de la membrana celular al genoma tumoral todavía no se ha resuelto satisfactoriamente. Científicos estadounidenses y daneses han desarrollado un nanomotor activo para el transporte, la entrega y la liberación eficiente de este sistema. Como detallan en la revista Angewandte Chemie  (9 de febrero 2018), los autores del estudio proponen nanocables de oro propulsados ​​por ultrasonido como un vehículo de transporte y liberación activa del complejo.
Crédito Wiley
Los nanocables de oro pueden atravesar pasivamente una membrana, pero gracias a su forma asimétrica de varilla o cable, el movimiento activo puede lograrse mediante  la utilización de ultrasonido. La forma asimétrica del motor de nanocables de oro, dada por el proceso de fabricación, es esencial para la propulsión acústica.  El nanovehículo une el complejo al nanocable de oro a través de puentes de sulfuro. Estos enlaces reducibles tienen la ventaja de que dentro de la célula tumoral se rompen. El sgRNA-Cas9 sería lanzado y enviado al núcleo para hacer su trabajo de edición, por ejemplo, el knockout de un gen. El sistema se probó controlando la supresión de la fluorescencia emitida por la proteína fluorescente verde que expresa las células B16F10 del melanoma. Se aplicó ultrasonido durante cinco minutos, lo que aceleró el nanomotor portador del complejo sgRNA-Cas9 a través de la membrana, acelerándolo incluso dentro de la célula. Así observaron como se suprimía eficazmente la fluorescencia con pequeñas concentraciones del complejo. La efectividad del nanomotor acústico como transportador activo, la pequeña carga útil necesaria para la inactivación génica eficiente y la simplicidad del sistema constituyen toda una promesa para futuras aplicaciones terapéuticas. 

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sábado, 3 de febrero de 2018

Sinapsis superconductoras para los cerebros artificiales.

Investigadores del National Institute of Standards and Technology(NIST) han construido un interruptor superconductor que "aprende" como un sistema biológico y podría conectar procesadores y almacenar recuerdos en computadoras futuras con capacidad de operar como el cerebro humano. El interruptor NIST, descrito en la publicación Science Advances (Ultra-low power artificial synapses using nano-textured magnetic Josephson junctions), es denominado “sinapsis”, como su contraparte biológica y proporciona una pieza faltante para las llamadas computadoras neuromórficas. La sinapsis NIST son uniones Josephson personalizadas. Estas uniones constituyen un sándwich de materiales superconductores con un aislante como relleno. La sinapsis usa electrodos estándar de niobio y tiene un relleno único hecho de manganeso nanoclusters en una matriz de silicio. Cuando una corriente eléctrica a través de la unión excede un nivel llamado corriente crítica se producen picos de tensión. Los nanoclusters, unos 20.000 por micrómetro cuadrado, actúan como pequeños imanes "giratorios" que se pueden orientar aleatoriamente o de forma coordinada. La cantidad de nanoclusters apuntando todos en la misma dirección se puede controlar, lo que afecta las propiedades superconductoras de la unión. La sinapsis descansa en un estado superconductor, excepto cuando se activa por la corriente entrante y comienza a producir picos de voltaje.
Operación básica de las sinapsis artificiales NIST's. Crédito NIST
Los investigadores aplican pulsos de corriente en un campo magnético para aumentar el orden magnético, es decir, el número de nanoclusters apuntando en la misma dirección.Este efecto magnético reduce progresivamente el nivel crítico de corriente, facilitando la creación de un conductor normal. La corriente crítica es más baja cuando todos los nanoclusters están alineados. El proceso también es reversible: los pulsos se aplican sin un campo magnético para reducir el orden magnético y elevar la corriente crítica. Este diseño, en el que diferentes entradas alteran los giros de alineación y las señales de salida resultantes, es similar a cómo funcionan las sinapsis en el cerebro. La sinapsis NIST tiene menores necesidades de energía que las sinapsis humana y pueden ser utilizadas en computadoras neuromórficas. Hechas de componentes superconductores con capacidad de transmitir la electricidad sin resistencia son mucho más eficientes a las diseñadas con semiconductores o software. Los datos se transmitiran, procesaran y almacenaran en unidades de flujo magnético. Mientras más disparos entre celdas o procesadores, más fuerte es la conexión. Tanto la sinapsis real como la artificial pueden mantener circuitos viejos y crear otros nuevos. La sinapsis NIST puede disparar mucho más rápido que el cerebro humano: mil millones de veces por segundo en comparación con las  50 veces por segundo de las células cerebrales y usando sólo un soplo de energía, aproximadamente la diezmilésima parte de una sinapsis humana. 

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sábado, 27 de enero de 2018

Nanosensor molecular mide la fuerza de crecimiento en plantas, animales y humanos.

¿Cómo visualizar las fuerzas extremadamente pequeñas conectadas a los procesos de nuestro cuerpo como el crecimiento y el desarrollo embrionario?
Investigadores de la Universidad de Wageningen en el artículo “Light from Within: Sensing Weak Strains and Femto Newton Forces in Single Molecules” describen su trabajo con sensores de una sola molécula, 100 veces más precisos, comparados con los dispositivos existentes utilizados para medir las nanofuerzas a nivel molecular. Las fuerzas experimentadas por las moléculas en las células, son tan pequeñas, que los dispositivos de medición existentes apenas son capaces de detectar si se trata o no de una fuerza. Hasta ahora, todo era negro o blanco, o había una fuerza o no existía; no se podía determinar valores intermedios. Expresado en términos técnicos, la detección de fuerza sobre 1 molécula es del orden 100 FemtoNewton. Esto es 0.000,000,000,0001 Newton. Esta fuerza de 100 FemtoNewton que presiona una molécula de un nanómetro se puede comparar con la fuerza de un grano de arena en el hombro de una persona.
Realizar mediciones sensibles a nanoescala no es posible utilizando un gran dispositivo de medición. Por lo tanto, los investigadores, crearon moléculas que a su vez actúan como dispositivos de medición; cada uno de los sensores moleculares hechos por el equipo funciona como un medidor de nanofuerza. Para 'leer' la molécula y determinar la fuerza, los investigadores enfocan un láser sobre la molécula. Esta devuelve la luz en un tono diferente (fluorescencia), permitiendo determinar la magnitud de la fuerza.
El método de medición presentado permite obtener información sobre las fuerzas que están activas a nivel molecular en las células vivas. Por ejemplo, en el desarrollo embrionario de células vegetales sabemos que fuerzas minúsculas determinan cuándo se divide una célula y su dirección. Estos estímulos mecánicos indican cómo se desarrolla el embrión de la planta, pero hasta el presente no era posible medirlos.  Ahora disponemos de los sensores más pequeños del mundo para medir las fuerzas responsables del crecimiento de plantas, animales y humanos.
Chem. 18 de enero 2018
Lectura complementaria:
Light from Within: Sensing Weak Strains and Femto Newton Forces in Single Molecules.

sábado, 20 de enero de 2018

Brazo robótico a nanoescala con propulsión eléctrica.

Científicos de todo el mundo están trabajando en nuevas tecnologías para las nanofactorías del futuro. Esperan que algún día se utilicen para analizar muestras bioquímicas o producir agentes médicos activos. Las máquinas en miniatura necesarias ya se pueden producir de forma rentable utilizando la técnica de origami de ADN.
La única razón por la cual estas máquinas moleculares no se han implementado en gran escala es por ser demasiado lentas. Los bloques de construcción se activan con enzimas, hebras de ADN o luz para luego realizar tareas específicas, por ejemplo, recolectar y transportar moléculas. 
Investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado una novedosa tecnología de propulsión eléctrica para nanorrobots (nanobots). Permite que las máquinas moleculares se muevan 100.000 veces más rápido con relación a los movimientos originados con los procesos bioquímicos utilizados en el presente. Esto hace que los nanobots sean lo suficientemente rápidos como para realizar trabajos de línea de montaje en fábricas moleculares.  
Science, 19 January 2018, Vol 359, pp. 296-301
Construir una línea de ensamblaje nanotecnológico requiere un tipo diferente de tecnología de propulsión. La idea es dejar la completamente la conmutación bioquímica de las nanomáquinas remplazándola  por interacciones entre las estructuras de ADN y los campos eléctricos. El principio detrás de la tecnología de propulsión es simple: como las moléculas de ADN tienen cargas negativas se las  puede mover aplicando campos eléctricos. Teóricamente esto debería permitir que los nanobots de ADN sean dirigidos usando impulsos eléctricos. Cada una de las máquinas en miniatura producidas tiene un brazo de 400 nanómetros unido a una placa base rígida de 55 por 55 nanómetros con una junta flexible hecha de bases separadas. Esta construcción asegura que los brazos puedan girar arbitrariamente en el plano horizontal. Al aplicar campos eléctricos, podemos rotar arbitrariamente sus brazos. Un simple clic del mouse es todo lo que se necesita para moverlos en otra dirección. Con la finalidad de determinar si y con qué rapidez los brazos del robot se alinearían con un campo eléctrico, los investigadores colocaron varios millones de brazos de nanotubos marcando sus puntas con pigmentos fluorescentes y observaron su movimiento usando microscopía de fluorescencia. Al cambiar la dirección del campo eléctrico se modifica orientación de los brazos permitiendo controlar el movimiento. 
Los nanobrazos robóticos accionados con propulsión eléctrica constituyen una interesante contribución al desarrollo de líneas de montaje en  fábricas moleculares.

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sábado, 13 de enero de 2018

Nanosensor de grafeno para evitar la muerte en la cuna.

Investigadores de la Universidad de Sussex presentaron novedosos nanosensores, que monitoreados desde los teléfonos, podrían controlar, por ejemplo,  la salud de los bebés desde remotas partes del mundo.  Colocando nanosensores discretos en la ropa del bebé, los padres preocupados por el riesgo de muerte en la cuna, podrían hacer un seguimiento del funcionamiento del corazón y de las frecuencias respiratorias mediante actualizaciones automáticas en sus teléfonos inteligentes. 
Los nanosensores discretos son dispositivos basados en emulsiones aceite-agua (emulsión de Pickering) estabilizadas con nanomateriales 2D como el grafeno. El conjunto  constituye un nanosensor conductor con una gran sensibilidad. En el artículo “Functional liquid structures by emulsification of graphene and other two-dimensional nanomaterials“ se discute el uso de los nanomateriales 2D como estabilizadores para emulsiones agua-aceite, donde el nanomaterial de elección confiere funcionalidad adicional al sistema. 
b) Fotografía  de  un  "cable líquido"  formado  al  encapsular
 la emulsión estabilizada con grafeno en un soporte de silicona,
El grafeno exfoliado en líquido actúa como estabilizador y relleno conductivo. Es un material bidimensional de átomos de carbono,  fuerte, flexible y conductivo. Cuando un canal o tubo que contiene el líquido se estira, cambia su conductividad. Esto permite rastrear las tasas de respiración y los pulsos de las personas que usan el dispositivo. Las partículas de grafeno se ensamblan alrededor de las gotitas líquidas, los electrones pueden saltar de una partícula a la siguiente, por eso todo el líquido es conductivo. Cuando se estira el sensor, se deforman  las gotitas, lo que aleja las partículas de grafeno y hace que sea mucho más difícil para los electrones saltar por el sistema.
La sensibilidad de este nuevo tipo de nanosensor de esfuerzo es en realidad mucho mayor a las tecnologías existentes, y es el dispositivo de base líquida más sensible conocido por un margen bastante significativo.
El nanosensor que tiene el potencial de mejorar drásticamente la detección temprana de síntomas potencialmente mortales como la apnea del sueño o la arritmia cardíaca. El potencial final de utilización del dispositivo es más amplio. Cualquier persona interesada en rastrear su corazón o las tasas de respiración, como los corredores por ejemplo, pueden estar interesados ​​en usar esta tecnología dentro de su equipo de ejercicio. 
El profesor Alan B. Dalton dice: "Usando las emulsiones líquidas conductoras que hemos desarrollado, produciremos sensores baratos y portátiles basados ​​en emulsiones estabilizadas con grafeno. Los dispositivos serán cómodos, no invasivos y pueden proporcionar diagnósticos en tiempo real de la respiración y la frecuencia cardíaca. Esperamos verlo disponible en el mercado dentro de dos o cuatro años”.

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sábado, 6 de enero de 2018

Bimorfos con grafeno: un paso hacia al robot celular.

¿Es posible hacer una máquina del tamaño de una célula humana capaz de conducir la electricidad, ser sensible al ambiente y cambiar de forma? Los físicos de Universidad de Cornell, Paul McEuen, Itai Cohen y colaboradores, no solo dicen que sí, ya comenzaron a construirla. En la actualidad se pueden producir micro y nanochips para procesar gran cantidad de  información,  pero poco se sabe sobre cómo hacer para que se doblen o muevan. La propuesta es usar motores denominados bimorfos (bimorphs). Un bimorfo es un conjunto de dos materiales, en este caso, grafeno y vidrio, que se dobla cuando es impulsado por un estímulo como calor, una reacción química o un voltaje aplicado. El cambio de forma ocurre porque, en el caso del calor, dos materiales con diferentes respuestas térmicas se expanden en forma diferente ante el mismo cambio de temperatura. Como consecuencia, el bimorfo se dobla para aliviar parte de esta tensión, permitiendo que una capa se estire más que la otra. 
Grafeno-vidrio bimorfos. Crédito: Cornell University 
Al agregar paneles planos rígidos que no se pueden doblar, los investigadores localizan la flexión para que ocurra sólo en lugares específicos, creando pliegues.  Con este concepto se pueden construir una variedad de estructuras plegables:
desde tetraedros (pirámides      triangulares) hasta cubos 
En el caso del grafeno y el vidrio, los bimorfos también se pliegan en respuesta a estímulos químicos al conducir grandes cantidades de iones al vidrio, produciendo expansión. Por lo general, esta actividad química solo ocurre en el borde exterior del vidrio cuando se sumerge en líquidos iónicos. Como el bimorfo tiene solo unos pocos nanómetros de grosor, presenta una gran superficie en el borde externo conducente a una alta reactividad química. 
El bimorfo, debido a la fuerza relativa del grafeno, permite construir un exoesqueleto lo suficientemente fuerte para transportar los componentes electrónicos necesarios.  
Ahora los investigadores están abocados a la construcción de “músculos” a pequeña escala.
Una interesante y genial contribución al exponencial desarrollo de la nanorrobótica.

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sábado, 30 de diciembre de 2017

Novedad 2017: primer campeonato mundial de nanoautos.

Cuatro equipos se reunieron en Francia para competir en la final de la primera nanocarrera del mundo. Sus vehículos desde la línea de salida se pusieron en marcha para dar comienzo a una carrera maratónica de 36 horas para recorrer 100 nanómetros (menos del ancho de un cabello humano). Los vehículos ensamblados a partir de unos pocos cientos de átomos por los investigadores han sido impulsados ​​a través de la superficie de un disco de oro por una corriente de electrones. El NanoCarsRace es una creación de dos investigadores franceses del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia. En lugar de los V-8 inyectados con combustible, los nanoautos son propulsados ​​por un microscopio de efecto túnel, un equipo de precisión normalmente utilizado para tomar imágenes de átomos individuales. El microscopio funciona llevando una aguja extremadamente fina de un nanómetro a una muestra y luego monitoreando los cambios en la corriente de electrones. En la competencia, la oleada de electrones del microscopio puede propulsar el pequeño automóvil atómico. El instrumento utilizado por los corredores ha sido especialmente modificado para controlar cuatro agujas diferentes a la vez, permitiendo que los autos corran uno al lado del otro. Los cuatro equipos seleccionados, entre seis finalistas,  compitieron el 28 de abril en Toulouse para enfrentar un pequeño chip de oro con una pista de carreras a nanoescala grabada en él. El diseño de los vehículos abarca desde el americano con forma de automóvil hasta construcciones más abstractas, como la presentación alemana inspirada en molinos de viento y una molécula en forma de Y del equipo suizo. La mayoría de los diseños han incluido características moleculares que permiten giros, y algunos incluso cuentan con ruedas totalmente funcionales. La prueba se pudo seguir en vivo en YouTube y en el sitio web de NanoCarsRace. La competencia ayuda a  nuestra comprensión de cómo construir y usar maquinaria molecular destinada, a futuro, ha ser utilizada en nuestro cuerpo para combatir enfermedades, como pequeños sensores o incluso puertas lógicas en un circuito.


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sábado, 23 de diciembre de 2017

Nanocatalizador de un solo átomo para fijar nitrógeno.

La fijación de nitrógeno es un proceso que convierte el nitrógeno de la atmósfera de la Tierra en amoníaco (NH3). Los compuestos de nitrógeno son necesarios para la biosíntesis de plantas, animales y otras formas de vida, por lo que la su fijación es esencial y crucial para mantener todas las formas de vida. En la naturaleza, la fijación de nitrógeno es realizada por la enzima nitrogenasa. En la industria, el fertilizante a base de amoníaco se fabrica mediante el proceso industrial de Haber-Bosch utilizando H2 y N2. Su principal problema  es que requiere presiones y temperas extremadamente altas (150-250 bar y 400-500°C) con grandes cantidades de H2 producida mediante un alto consumo de combustibles fósiles con la concomitante emisión de CO2 .    
En el artículo "Single Mo atom Supported on Defective Boron Nitride Monolayer as an Efficient Electrocatalyst for Nitrogen Fixation: A Computational Study" publicado en el Journal of the American Chemical Society, el profesor Jingxiang Zhao (College of Chemistry and Chemical Engineering of Harbin Normal University, China) y el Prof. Zhongfang Chen (Department of Chemistry, University of Puerto Rico, USA) han propuesto un electrocatalizador bastante prometedor basado en un solo átomo para la reducción de N2 a NH3 en condiciones ambientales.                                                                
Los catalizadores de átomo único (SAC) han surgido como una nueva frontera en la catálisis demostrando rendimientos distintivos para diversas reacciones debido a su alta actividad catalítica con una cantidad significativamente reducida de metales utilizados. Sin embargo, el rendimiento catalítico de los SAC para la fijación y conversión de N2 ha sido poco  explorado. 
Optimized structure of Mo-embedded BN monolayer.
 © American Chemical Society)
Por medio de cálculos los investigadores evaluaron sistemáticamente el rendimiento de una serie de átomos de metales de transición (Sc ~ Zn, Mo, Rh, Ru, Pd y Ag) anclados en monocapa de nitruro de boro (BN) con monovacancias, para ser utilizados como catalizadores de reducción del N2 .Exploraron tres mecanismos de reacción y calcularon las energías libres de cada paso elemental. Finalmente encontraron que un único átomo de Mo soportado por una monocapa de nitruro de boro defectuosa exhibe la actividad catalítica más alta para la fijación de N2 a temperatura ambiente y con un sobrepotencial aplicado bastante bajo. 
El estudio, no solo abre una nueva vía de producción de NH3 a partir de SAC para la fijación de N 2 en condiciones ambientales, también establece un procedimiento eficiente para seleccionar SAC efectivos basados en el entendimiento del mecanismo de catálisis para el diseño de los nanocatalizadores del futuro.

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viernes, 15 de diciembre de 2017

Impresión 3D con bacterias vivas.

Un equipo de investigación de la ETH Zürich (Escuela Politécnica Federal de Zúrich) dirigido por el Profesor André Studart, Jefe del Laboratorio de Materiales Complejos, ha presentado una nueva plataforma de impresión 3D que funciona utilizando materia viva. Los investigadores desarrollaron una tinta con bacterias para imprimir minifábricas bioquímicas con ciertas propiedades, según la especie de bacteria que los científicos selecciones. Utilizaron las bacterias Pseudomonas putida y Acetobacter xylinum en su trabajo. La primera puede descomponer el fenol químico tóxico, que se produce a gran
escala en la industria química, mientras que la segunda secreta nanocelulosa de alta pureza. Esta nanocelulosa bacteriana alivia el dolor, retiene la humedad y es estable, lo que abre posibles aplicaciones en el tratamiento de quemaduras. La nueva plataforma de impresión ofrece numerosas combinaciones potenciales. 
En una sola pasada, los científicos pueden usar hasta cuatro tintas diferentes con especies
de bacterias distintas y/o en variadas concentraciones para producir objetos con múltiples propiedades. La estructura de la tinta está formada por un hidrogel biocompatible. El hidrogel en sí está compuesto de ácido hialurónico, moléculas de azúcar de cadena larga y sílice pirogénica. El medio de cultivo para la bacteria se mezcla en la tinta de modo que la bacteria tenga todos los requisitos previos necesarios para la vida. Usando este hidrogel como base, se pueden agregar bacterias con el "rango de propiedades" deseado para  imprimir la estructura tridimensional requerida. 
A corto plazo tal vez sea muy poco lo que no se pueda producir con la impresión 3D. 

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3D printing of bacteria into functional complex materials

sábado, 9 de diciembre de 2017

Hacer viable lo inviable II

Desde los residuos orgánicos hasta los materiales nanocompuestos para la producción 3D. 
En el primer artículo “Hacer viable lo inviable” hemos mostrado un cuadro de situación en el cual se ha resumido una serie de soluciones posibles para aquellas zonas consideradas inviables por los economistas y abandonadas a su suerte. En tal contexto la gente joven emigra en busca de un porvenir mejor y los pueblos existentes languidecen.     
Las soluciones propuestas abarcaban desde el aprovechamiento de los residuos y la generación abundante de energía, hasta la producción de nanomateriales de avanzada. En el presente artículo vamos a profundizar sobre las impactantes posibilidades que brinda la nanotecnología de obtener, a partir de los residuos orgánicos, productos de alto valor agregado y de incorporar la zona a una producción sustentable con tecnología de de punta.
La producción de biogás genera metano y dióxido de carbono. Ambos gases se pueden utilizar para obtener nano-objetos. Del metano se puede, mediante el proceso CVD (Chemical vapour deposition) obtener grafeno y nanotubos de carbono. Del dióxido de carbono también puede obtenerse grafeno por reducción con magnesio del hielo seco generado.
En forma paralela, con los residuos se puede producir poliláctico (PLA), un polímero biodegradable y reciclable. Generalmente los residuos fermentables son autoclavados a 121ºC durante 20 minutos y luego regulando las condiciones fisicoquímicas se realiza un proceso de sacarificación con la enzima glucosamilasa y posteriormente se agrega Lactobacillus rhamnousus para pasar la glucosa producida a ácido láctico. 
Finalmente el ácido láctico se utiliza para sintetizar PLA. Dentro de los materiales nanoestructurados, los nanopcompuestos de polímeros con nano-objetos presentan en la actualidad un alto grado de aplicaciones actuales y futuras. En algunos nanocomposites, un 1% de grafeno en la estructura polimérica permite aumentar su resistencia en un 100%. La posibilidad de poder utilizar en las impresoras 3D polímeros de PLA-grafeno y PLA-nanotubos de carbono, obtenidos a partir de residuos, permite producir en forma continua o rotativa una importante cantidad de productos utilizables en la industria textil, alimenticia y automotriz, entre otras. Un buen ejemplo de la importancia de la nanobioeconomía en la sociedad multidireccional.

sábado, 2 de diciembre de 2017

Nanofotónica, la tecnología para el "radar del futuro"

iProfesional 01/12/17


Actualmente, los sistemas tradicionales de radiolocalización se encuentran al límite de sus capacidades. Una mayor reducción en el peso e incremento de los requerimientos técnicos se hace casi imposible con el uso de las tecnologías convencionales. Por caso, los científicos rusos están a un paso del nuevo orden tecnológico a partir del desarrollo de un “radar del futuro” que será entre 5 y 7 veces más pequeño con la posibilidad de ofrecer una imagen casi televisiva, lo que permitirá ser utilizado tanto para aviones y naves de combate de quinta generación, como para submarinos y naves de investigación. Dicho radar es uno de los proyectos más prometedores  vinculado con el uso de las tecnologías de la nanofotónica.
La nanofotónica es la rama de la nanotecnología que se ocupa del estudio de las interacciones entre la luz y la materia de dimensiones muy pequeñas (menos de 100 nanómetros). Los fotones de la luz se mueven con una velocidad 100 veces mayor que los electrones en un circuito, la nueva tecnología permitiría usar luz en lugar de flujos de electrones con la ventaja de que los datos puedan ser enviados a mayor distancia desde distintas partes del servidor sin riesgo de perder información y de poder transferir más cantidad de datos y a mayor velocidad. Cambiando el tamaño y forma de los nanomateriales se puede lograr el control nanométrico de los flujos de luz con la finalidad de realizar  aplicaciones en diferentes campos  como  en biología, medicina, fotolocalización, procesadores, sensores, celdas solares, aeronáutica, etc.
En estos casos los nanochips se suelen reemplazar por nanofotochips basados en las propiedades dieléctricas, semiconductoras y metálicas de los nanomateriales. Tienen procesos de conversión que integran los componentes ópticos con los circuitos eléctricos de una misma pieza de silicio pudiendo ser fabricados a un costo relativamente bajo. Citemos dos aplicaciones relacionadas: 
Una de las promesas de la nanofotónica es la computadora óptica destinada a reemplazar los ordenadores convencionales por otros que puedan transmitir y procesar información más rápidamente. En esta, varios pulsos de luz de distinto color pueden circular por una misma fibra simultáneamente, cada uno de ellos equivalente a una señal eléctrica que precisaría un hilo conductor diferente en los circuitos electrónicos convencionales optimizando de este modo cualquier sistema de comunicación. 
Los arrays (matrices) electromagnéticos que trabajan en las frecuencias de radio han permitido aplicaciones como el radar, la radiodifusión y la astronomía; no obstante resulta extremadamente costoso e incómodo desplegar arrays en base a radiofrecuencia a gran escala. En cambio los arrays en fase óptica tienen una ventaja única ya que la longitud de onda es mucho más corta y prometedora para la integración de detecciones a gran escala. Sin embargo, la longitud de onda óptica corta impone requisitos estrictos debido a que se deben fabricar  matrices con nanoantenas ópticas densamente integradas en  nanochips.                                                                                    
Nanomateriales como los puntos cuánticos (quantum dots) que permitieron desarrollar los primeros televisores QLED con imagen 100% natural o los plasmones de resonancia superficial localizada capaces de regular el color de radiación reflejada según el diámetro de sus nanopartículas metálicas, constituyen algunos de los nanomateriales de avanzada para lograr el control del increíble mundo de la nanofotónica. Tal tecnología es un elemento estratégico no solo para el desarrollo científico, sino para el desarrollo de la independencia tecnológica del país. Es un nicho en el mercado mundial de crecimiento muy rápido y a lo que apuestan grandes conglomerados mundiales.
En el caso de los radares figuran entre otros Thales, Lockheed Martin, Raytheon y Kret,  este último uno de los mayores productores  perteneciente al conglomerado industrial ruso Rostec, la mayor corporación estatal de ese país que promueve el diseño, fabricación y exportación de productos industriales de alta tecnología. Sus diseñadores han creado un radar que  permitirá tomar “imágenes de rayos X” de aviones a la distancia de 500 kilómetros como si estuviera a sólo 50 metros. Su señal permite pasar cualquier obstáculo y no se excluye que en un futuro sea utilizado  para investigación hidroacústica en aguas profundas.

sábado, 25 de noviembre de 2017

Desalinización solar del agua de mar con nanopartículas.

La nanopartículas metálicas presentan el denominado efecto plasmódico. Este se origina cuando la frecuencia de la onda electromagnética producida por el movimiento oscilatorio  de sus electrones superficiales coincide con alguna frecuencia de los fotones de la radiación solar.  En tal situación ambas entran en resonancia con la absorción de la energía de la radiación incidente de esa longitud de onda, reflejando el resto. Cuando se colocan en agua de mar, alrededor de las nanopartículas con su energía incrementada por la resonancia se comienzan a formar burbujas y, debido a que la evaporación del agua se produce en la interfase líquido-vapor, migran a la superficie donde se libera el vapor quedando las nanopartículas disponibles para hacer un proceso continuo. En tal circunstancia la vaporización no requiere llegar el punto de ebullición y puede lograrse a partir de la temperatura generada por la luz solar focalizada.
En la figura puede observarse un equipo de destilación calentado por luz solar en el cual se coloca el agua de mar y distintos nanomateriales. Agua de mar (a); agua de mar + nanopartículas de plata (b); agua de mar + nanopartículas de oro (c); agua de mar + grafeno (d); agua de mar + grafeno + nanopartículas de oro (e).
Disminución de la temperatura de vaporización
utilizando distintas nanopartículas.
Las pruebas biológicas indican que el agua obtenida de esta forma no contiene protozoos, bacterias, virus, algas ni  hongos. Eso podría ser debido al efecto fototérmico de los nanocomponentes que elevan la temperatura causando la muerte de bacterias. En el caso de las nanopartículas de plata también por sus propiedades antisépticas y antibacterianas. Estudios toxicológicos realizados “in vivo” permiten, para las condiciones de uso, descartar efectos adversos para la salud. 
Al agua destilada obtenida se le agrega una mínima cantidad de sal necesaria para el consumo humano.
Equipos para la producción continua a gran escala pueden utilizar concentradores de luz solar para aumentar la radiación incidente y llegar a la temperatura necesaria para el proceso. 
Algo tan pequeño como una nanopartícula y algo tan grande como el sol se complementan para abastecernos del vital fluido.  

Lectura complementaria: