Instituto de Nanotecnología AJ Drexel

El Instituto de Nanotecnología AJ Drexel (DNI) se estableció en enero de 2003 para coordinar la investigación interdisciplinaria, la educación y la divulgación, y las asociaciones estratégicas en nanotecnología para toda la Universidad de Drexel.

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Proyectos

MXenes

Los MXenos son una familia de compuestos inorgánicos bidimensionales (2D) con la fórmula general de M_norte+1X_nortet_X, donde M es un metal de transición temprano, X es carbono y/o nitrógeno, y T es un grupo funcional en la superficie de un MXene (típicamente O, OH y F) (M. Naguib, et al. Adv. madre., 2014, 26, 992). Los MXenos tienen la alta conductividad metálica de los carburos de metales de transición y son (a diferencia de otros materiales 2D como el grafeno) hidrófilos debido a sus superficies terminadas en hidroxilo y oxígeno. Los MXenes se descubrieron por primera vez en 2011 en la Universidad de Drexel, como resultado del grabado selectivo de la capa A a partir de carburos y nitruros de metales de transición ternarios a granel, conocidos como fases MAX, lo que produce MXenes multicapa. Para aumentar el área de superficie y la accesibilidad de su superficie, los MXenes multicapa generalmente se someten a un procesamiento adicional para producir soluciones de MXenes delaminados.

Debido a su hidrofilicidad, los MXenes pueden procesarse en disolventes orgánicos polares y acuosos para formar soluciones coloidales estables que pueden filtrarse para formar películas independientes y recubrirse por pulverización para formar recubrimientos conductores transparentes. Esto proporciona una mayor cantidad de aplicaciones potenciales para esta familia de materiales. El primer MXene descubierto fue Ti₃C₂ y fue inicialmente investigado por sus propiedades electroquímicas en baterías y supercondensadores (B. Anasori, et al. Materiales de reseñas de la naturaleza, 2017, 2, 16098). Sin embargo, en los últimos años se han descubierto más de dos docenas de MXenes junto con docenas de otras aplicaciones.

El riñón artificial portátil (WAK) se considera un candidato potencial que ofrece una mejor calidad de vida a los pacientes con enfermedad renal terminal. La tecnología clave, que también representa un gran desafío, es el sistema adsorbente para la regeneración del dializado. Las nanohojas MXene 2D están hechas de dos a cuatro capas atómicas de un metal de transición intercaladas con carbono o nitrógeno con terminaciones superficiales unidas a las capas metálicas externas. La combinación de un núcleo de carburo de metal de transición con terminaciones superficiales hace que MXenes sea un material conductor parecido a la arcilla. Esto sugiere que la estructura de MXene podría potencialmente ajustarse para adsorber moléculas específicas optimizando la distancia interatómica e interlaminar del material. Además, debido a que las superficies de MXene terminan con −OH, −O− y −F, su afinidad con los adsorbatos podría mejorarse aún más mediante la formación de enlaces de hidrógeno en la superficie. Por lo tanto, nos dedicamos a desarrollar un sistema adsorbente basado en MXene para eliminar las toxinas urémicas del dializado e incluso de la sangre directamente. Como primer paso, hemos demostrado que MXene puede eliminar rápida y selectivamente la urea, una de las toxinas urémicas más importantes, de la solución acuosa y del dializado gastado. Es más, los ensayos de hemocompatibilidad de donantes sanos demostraron que MXene Ti3C2TX no tiene un impacto significativo en la coagulación sanguínea, la hemólisis y la activación plaquetaria, lo que indica que los MXenes son seguros de usar para aplicaciones que entran en contacto con la sangre. 

Control de iluminación por MXenes 

¿Alguna vez has pensado de qué está hecho un espejo bidireccional o un revestimiento antirreflectante? ¿Cómo podemos controlar la luz para que funcione de la manera que deseamos? Más allá de la simple transmisión de luz, se ha demostrado que los MXenes exhiben propiedades de absorción saturables en el infrarrojo cercano (IR cercano), lo que significa que la absorción de luz disminuye (la transmisión de luz aumenta) al aumentar la intensidad de la luz. Esta propiedad se utilizó para crear un diodo fotónico con fullerenos (C₆₀), que funcionó transmitiendo la luz de manera diferente cuando se ve hacia adelante y hacia atrás. Las propiedades de absorción saturable se pueden aplicar en aplicaciones como láseres y sintonizarse cuando aprovechamos nanoestructuras en forma de discos/pilares en frecuencias de infrarrojo cercano o de terahercios.

Conductores transparentes

¿Qué pasaría si cada ventana recolectara energía solar, pudiera controlar la temperatura ambiente ajustando el color de la ventana y lo hiciera todo sin sacrificar la visibilidad? En los regímenes visible e infrarrojo cercano, los MXene transmiten ondas EM y la cantidad de transmisión depende directamente de la composición del MXene y del espesor del material presente. Esto permite utilizar MXenes como conductores transparentes en aplicaciones de visualización y almacenamiento de energía. Además, el color y la transparencia del dispositivo cambian reversiblemente con el potencial aplicado, lo que permite fabricar dispositivos electrocrómicos (¡y tal vez ventanas!) con diferentes colores. 

Las baterías de iones de litio ya son una tecnología dominante en la industria de la electrónica portátil y flexible. Sin embargo, el coste y las reservas democráticas de los recursos de Li plantean preocupaciones sobre la futura electrificación y el almacenamiento de energía a gran escala. Para ir “más allá de la tecnología de iones de litio” se necesitan electrodos robustos para la (des)intercalación reversible de iones metálicos. Como los MXenes ofrecen intercalación espontánea de una variedad de cationes (Na+, K+, Mg+2, Zn+2, Ca+2 y Al+3), podrían ser alternativas potenciales a los materiales convencionales de carbono y óxido metálico para el diseño de híbridos. Condensadores metálicos y baterías multivalentes.

¿Podemos reducir la escala de los dispositivos de almacenamiento de energía para alimentar la microelectrónica?

La tendencia actual del Internet de las cosas (IOT) emergente y la miniaturización de la electrónica demanda el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía a pequeña escala. La fabricación escalable de dispositivos MXene en chip puede ofrecer una integración compatible con microrobótica, sensores e implantes biomédicos. Además, el comportamiento de conducción transparente y las propiedades de cambio de color hacen que MXenes sea adecuado para desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía transparentes y electrocrómicos. Además, MXenes se puede utilizar para aplicaciones flexibles y portátiles donde los compuestos MXene pueden combinar las funciones de almacenamiento, recolección y capacidades de detección de energía.

Entrevista: 

P: Explique el papel de la nanotecnología en el desarrollo de su organización o departamento.

Aunque mucho ha cambiado desde que se fundó la Universidad de Drexel en 1891, la misión original de la universidad sigue siendo válida hoy en día, y la introducción y el uso de nuevas tecnologías están a la vanguardia de las iniciativas de la Universidad de Drexel. Como tal, la nanotecnología proporciona una plataforma para que estudiantes y profesores exploren nuevas investigaciones interdisciplinarias, mantengan una base de conocimientos de vanguardia en el desarrollo curricular y mayores oportunidades de colaboración regional e internacional.  

P: ¿Cómo ha impactado la nanotecnología en los productos o servicios que ofrece?

El auge de la nanotecnología ha permitido nuevos proyectos de investigación colaborativos y en equipo, y ha revitalizado nuestro plan de estudios de Ingeniería. La nanotecnología se ha integrado con muchas de nuestras actividades de investigación, currículo e intereses docentes.    

P: Describa brevemente un proyecto actual que involucre nanotecnología y cuál será su resultado anticipado (nuevo proceso, nuevo producto, etc.)

En el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, el profesor Adam Fontecchio y su estudiante de posgrado Jared Coyle están desarrollando una pintura fotovoltaica compuesta de nanogotas de cristal líquido dispersas en un polímero. Esta 'Pintura Solar' tiene el potencial de revolucionar la forma en que alimentamos nuestros hogares y vehículos en el futuro. Actualmente estamos explorando métodos para incorporar el material fotovoltaico en pinturas comerciales y residenciales, tejas para techos y revestimientos transparentes para ventanas tanto en hogares como en vehículos. Cuando se apliquen, los productos transformarán superficies que actualmente son estéticas en componentes activos que mejorarán nuestras vidas.    

P: ¿Hacia dónde cree que se dirigirán las aplicaciones de la nanotecnología en el futuro? 

Las oportunidades para la nanotecnología son infinitas y abarcan disciplinas tradicionales, actividades interdisciplinarias y proyectos que implican combinaciones únicas de habilidades aún no imaginadas. En los próximos 20 años, deberíamos esperar ver innovaciones en energía renovable, agua potable, tecnologías informáticas y biomedicina, por nombrar sólo algunas.      

P: ¿Qué consejo le daría a alguien que quisiera trabajar en su organización dentro de 3 a 5 años?  

Cualquier persona interesada en la nanotecnología haría bien en tomar cursos de matemáticas, física y química. Además, participar en actividades de investigación relacionadas con la nanotecnología puede proporcionar una buena base para trabajos de posgrado en el área. También sugeriría a los estudiantes que se mantengan al día con las tendencias actuales en tecnología; hay muchas fuentes de información que son accesibles para todos, independientemente de su formación o educación técnica, y algunas de mis favoritas para recomendar incluyen cableado revista, el New York Times sección de tecnología y Viernes de ciencia en la Radio Pública Nacional (disponible como podcast y en vivo por la radio).

P: ¿Qué industria cree que se ha visto más afectada por la nanotecnología hasta ahora? ¿Por qué?

En este punto el mayor impacto se ha producido en el campo biomédico. Nuevos productos farmacéuticos para combatir el cáncer, los virus y muchas otras enfermedades han surgido de la investigación en nanotecnología. Además, los métodos de nanocaracterización como la microscopía de sonda de barrido, la microscopía electrónica de barrido y la espectroscopia y difracción de rayos X están proporcionando pistas sobre los procesos fundamentales de los sistemas biológicos. Actualmente estamos viviendo avances en el análisis del ADN y la secuenciación del Genoma Humano, que ofrecerán nuevas posibilidades en la medicina individualizada.

P: ¿Qué industria cree que tiene el mayor potencial futuro para verse afectada por la nanotecnología? ¿Por qué?  

El crecimiento de la nanotecnología biomédica seguirá creciendo e impactará todas nuestras vidas. Al mismo tiempo, la generación y el almacenamiento de energía alternativa están experimentando avances en investigación y desarrollo básicos que crecerán y tendrán un impacto en todo el mundo. Las actuales dificultades económicas mundiales sumada a las finitas reservas de petróleo nos obligan a considerar nuevas ideas y técnicas para proporcionar energía eléctrica a través de la energía fotovoltaica; Sistemas de captación de energía basados en gradientes térmicos, energía vibratoria y descarga térmica residual. Estos avances serán impulsados por una necesidad global, y el impacto de la nanotecnología en las energías alternativas será tan grande como el que estamos viendo actualmente en el campo biomédico.

(Fuente del contenido: sitio web de la Universidad de Drexel, comunicados de prensa y entrevista).