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(Foco Nanowerk) Los nanoporos están surgiendo como una poderosa plataforma tecnológica con aplicaciones en biodetección, recolección de energía y otras áreas. Sin embargo, la mayoría de los diseños de nanoporos de estado sólido existentes enfrentan desafíos como inestabilidad, dificultad en el ajuste de tamaño y selectividad iónica insuficiente. Los científicos han estado buscando formas de crear nanoporos más versátiles para superar estas limitaciones.
Investigadores de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza han desarrollado un nuevo método para crear nanoporos asimétricos de forma cónica que imitan la estructura de las estalactitas naturales. Estos nanoporos de «estalactitas» se describen en un artículo publicado en Materiales avanzados (“Nanoporos de estalactitas inspirados en la naturaleza para biodetección y recolección de energía”) podrían tener aplicaciones en las áreas de biodetección, recolección de energía y tecnologías de filtrado.
![Nanoestructuras de estalactitas naturales e inspiradas en la naturaleza](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63629_1.jpg)
Los nanoporos son pequeños agujeros en membranas sintéticas que generalmente tienen entre 1 y 100 nanómetros de diámetro. Debido a su pequeño tamaño, pueden usarse para detectar y manipular moléculas e iones a nivel individual. Sin embargo, la mayoría de las plataformas de nanoporos de estado sólido existentes enfrentan desafíos como inestabilidad, dificultad en el ajuste de tamaño y falta de selectividad iónica.
Los investigadores se inspiraron en estalactitas naturales y otras estructuras cónicas formadas por minerales que precipitan de líquidos. Querían recrear artificialmente el proceso de crecimiento de estalactitas a nanoescala utilizando técnicas de fabricación de última generación.
El equipo comenzó con una plantilla de nitruro de silicio que contenía una serie de pequeñas aberturas. Luego utilizaron un proceso llamado deposición de capas atómicas para depositar cíclicamente óxido de hafnio en la plantilla, formando capas en forma de anillo dentro de las aberturas.
Esto dio como resultado nanoestructuras de estalactitas asimétricas en forma de cono que sobresalían de los agujeros en la plantilla de nitruro de silicio. Las dimensiones de los nanoporos de estalactita podrían controlarse con precisión ajustando el tamaño de apertura de la plantilla y el número de ciclos de deposición.
Es importante destacar que los investigadores demostraron dos ventajas clave de estos nanoporos de estalactitas biomiméticas en comparación con los poros cilíndricos de estado sólido existentes. En primer lugar, la forma asimétrica crea un campo eléctrico no uniforme dentro del poro, lo que permite la captación y translocación selectiva de dirección de biomoléculas cargadas como el ADN. En segundo lugar, la geometría cónica proporciona una mejor selectividad y rectificación de iones cuando se utiliza para recolectar energía de gradientes de salinidad.
Para probar las capacidades de biodetección, el equipo realizó experimentos de translocación de ADN y observó tasas de paso significativamente más altas cuando el ADN viaja desde la punta a la base en comparación con la dirección opuesta. Este efecto se debe a que el ADN tiene que superar una barrera energética mayor al entrar por la abertura ancha que al salir por la punta estrecha.
Para la producción de energía, los investigadores demostraron que los nanoporos de estalactita producen corrientes eléctricas y densidades de potencia más altas a partir de gradientes de concentración de sal a medida que la solución salina fluye desde la punta hasta la base. Esta selectividad direccional surge de diferencias en la doble capa eléctrica dentro del poro asimétrico.
Después de demostrar los beneficios de los poros individuales, los investigadores ampliaron el proceso para producir conjuntos de nanoporos de estalactitas que miden 400 micrómetros cuadrados. Esta matriz de nanoporos produjo una densidad de potencia de 20 W/m2, lo que representa un paso importante hacia aplicaciones prácticas como la recolección de energía azul.
En general, este trabajo presenta una tecnología de plataforma versátil para producir nanoestructuras biomiméticas asimétricas. Al optimizar el tamaño y las propiedades de la superficie, las matrices de nanoporos de estalactitas podrían permitir avances reales en áreas como la secuenciación rápida de ADN, dispositivos de laboratorio en un chip, desalinización y producción de energía a microescala. Los investigadores destacan que los nanoporos de estalactita fabricados a partir de óxido de hafnio también son notablemente estables.
Al imitar el enfoque de la naturaleza, los científicos de la EPFL han abierto nuevas posibilidades para diseñar arquitecturas a nanoescala con funcionalidades ampliadas. Su enfoque bioinspirado muestra cómo las estructuras naturales pueden proporcionar modelos para el desarrollo de nuevos nanomateriales.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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