Máscara nanofotónica protectora de virus y bacterias.

En las últimas dos décadas se han presentado varios brotes virales provocando epidemias y pandemias con miles de víctimas humanas. El brote actual de Covid-19 representa una crisis sin precedentes. En el artículo Photocatalytic Nanowires-Based Air Filter:Towards Reusable Protective Masks, publicado en la revista Advanced Functional Materials, investigadores de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne de Suiza informan sobre el desarrollo de un papel-filtro basado en nanocables de TiO₂ (TiO₂NW) para barbijos de protección personal, así como para una nueva generación de acondicionadores y purificadores de aire. Su eficiencia se basa en la generación fotocatalítica de altos niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) por iluminación UV.

Crédito: Horvaht y col. Advanced Functional Materials, 2020.

El principio de funcionamiento de los papeles de filtro se ilustra en la Figura. El tamaño de los poros del filtro se puede ajustar durante su proceso de fabricación modificando tanto el grosor como la densidad del papel de filtro hecho con los nanocables. Esto puede permitir la captura eficiente de patógenos con diferentes tamaños, incluidos los virus más pequeños. La presencia de humedad, incluso en forma de trazas de humedad, es fundamental para las actividades fotocatalíticas y antimicrobianas del papel de filtro. Es ampliamente aceptado que en un medio acuoso y con iluminación UV, los materiales fotocatalíticos basados en TiO₂ generan eficientemente los llamados ROS, es decir, radicales hidroxilo (OH^∙), radicales hidroperoxilo (HO₂^∙), peróxido de hidrógeno (H₂O₂), oxígeno singlete (¹O₂) y radicales superóxido (O₂^-). Estas especies reactivas destruyen por oxidación virus, bacterias y sus metabolitos.

Crédito:Horvaht y col. Advanced Functional Materials, 2020.

La importancia inmediata de dicho filtro se debe a la urgencia de la crisis provocada por el Covid-19, que se ha convertido rápidamente en una pandemia. Dado que las rutas de transmisión del virus aún están lejos de comprenderse, el uso de máscaras de protección personal es de gran importancia. Para algunos expertos en salud, las mascarillas desechables actuales no bloquean todos los patógenos, ni pueden inactivar los virus. Por lo tanto, las mascarillas usadas y desechadas pueden incluso convertirse en un vector de enfermedades, especialmente si el virus sobrevive en ella. En cambio, las mascarillas fácilmente esterilizables y reutilizables con propiedades antivirales podrían proporcionar una potente herramienta de prevención contra la rápida propagación del virus. Los investigadores estiman que la mascarilla esterilizable por la  luz, basada en TiO₂NW, puede reutilizarse más de 1000 veces.  Además, también debería reducir los problemas ambientales y de salud pública relacionados con los millones de máscaras que se desechan diariamente en todo el mundo fuera del entorno médico, donde los desechos médicos infecciosos y peligrosos no se tratan y eliminan adecuadamente.

Lectura complementaria:                                                                                            Photocatalytic Nanowires-Based Air Filter:Towards Reusable Protective Masks.

Primer ojo artificial con retina 3D de nanocables.

Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) en colaboración con investigadores de la Universidad de California (UCA), han desarrollado el primer ojo artificial 3D del mundo con capacidades mejores que los ojos biónicos existentes y, en algunos casos, incluso superiores a los ojos humanos, posibilitando la visión a los robots humanoides y brindando una nueva esperanza para los pacientes con discapacidad visual.

Credito: Gu,L; Poddar,S; Lin,Y. y col. HKUST-UCA. Nature 581, 278-282, 2020.

El ojo electro-químico (EC-Eye) replica la estructu- ra de un ojo natural por primera vez permitiendo ofrecer una visión más nítida que un ojo humano y con la posibilidad futura de agregarle fun- ciones adicionales como la capacidad de detectar radiación infrarroja en la oscuridad. La característica clave de tales avances es una retina artificial en 3D hecha con una serie de sensores de luz, nanocables de perovskita (mineral de trióxido de titanio y de calcio), capaces de imitar los fotorreceptores en la retina humana. El equipo, durante el experimento, conectó los nanocables a una serie de cables con líquido viscoso que actúan como nervios detrás de la retina hemisférica artificial, logrando reproducir con éxito la transmisión de la señal visual para reflejar lo que el ojo ve en la pantalla de la computadora. La transducción se logra al formarse una doble capa eléctrica en la interfaz de los nanocables y el electrolito (triyoduro). Cuando incide la luz se genera un par de electrones que se mueven hacia la interfaz reducciendo del yodo del triyoduro a iones yoduro originándose una desorción seguida por su difusión hacia el electrodo. En el futuro, esos sensores de luz de nanocables podrían conectarse directamente a los nervios de los pacientes con discapacidad visual. 

Crédito: Gul,L; Poddar, S; Lin, Y. y col. HKUST-UCA. Nature 581, 278-282, 2020.

Debido a su densi-dad mayor que los fotorreceptores en la retina humana, la retina artificial pue-de recibir más señales de luz y con potencial de alcanzar una mayor resolución en la imagen. Agregando diferentes materia-les para aumentar la sensibilidad y el rango espectral de los sensores, el ojo artificial permite lograr otras funciones, como la visión nocturna. El principio de su funcionamiento implica un proceso electroquímico similar al de una célula solar en el cual cada fotosensor en la retina artificial puede servir como una célula a nanoescala. Con las modificaciones adicionales necesarias, el EC-Eye, puede ser un sensor de imagen autoalimentado, haciendo su uso más simple y económico por no necesitar una fuente de alimentación externa. El primer ojo artificial con nanoretina 3D del mundo ya es una realidad científica.

Información complementaria:

A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina.

Nanodispositivo con capacidad de aprender, olvidar…

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, de la Universidad de Sydney y de la Universidad de California han publicado en la revista Scientific Reports el artículo Emergent dynamics of neuromorphic nanowire networks en el cual presentan un dispositivo experimental basado en una red de flujo continuo con características análogas a ciertos comportamientos del cerebro como aprendizaje, memorización, olvido, vigilia y sueño. La forma en que el dispositivo evoluciona y cambia constantemente imita el cerebro humano, pudiendo generar diferentes tipos de patrones de comportamiento irrepetibles.

Crédito: Marc Roseboro-CNSI/Universidad California

El dispositivo está hecho de una maraña de nanocables de plata con un diámetro promedio de 360 nanómetros. Los nanocables se recubren con un polímero aislante de aproximadamente 1 nanóme- tro de espesor. Su tamaño final es muy pequeño, mide 10 milímetros cuadrados. Los nanocables se autoen- samblan aleatoriamente en una oblea de silicio y forman estructuras altamente interconectadas notablemente similares a las de la neocorteza, la parte del cerebro involucrada en funciones superiores como el lenguaje, la percepción y la cognición. Un rasgo diferencial de la red de nanocables con relación a los circuitos electrónicos convencionales es que los electrones cuando fluyen a través de ellos provocan cambios en su configuración física. En el estudio, la corriente eléctrica  hace que los átomos de plata migren desde el interior del recubrimiento polimérico y formen conexiones donde se superponen dos de ellos. El sistema presenta aproximadamente 10 millones de estas uniones, análogas a las sinapsis donde las células cerebrales se conectan y comunican. Cuando se unen dos electrodos a la malla similar al cerebro para observar cómo funcionaba la red, se observan características no atribuibles a las partes individuales (comportamiento emergente). Esto hace que la red se parezca al cerebro y la distingue de las computadoras convencionales. Luego de fluir  la corriente a través de la red, las conexiones entre nanocables persistieron durante un minuto en algunos casos, algo similar al proceso de aprendizaje y memorización en el cerebro. Otras veces, las conexiones se cierran abruptamente al finalizar la carga, imitando el proceso de olvido. El enfoque es útil para generar nuevos tipos de hardware energéticamente eficientes y capaces de procesar conjuntos de datos complejos desafiando los límites de las computadoras modernas. La actividad caótica límite de la red de nanocables se asemeja no solo a la señalización dentro del cerebro sino también a otros sistemas naturales como los patrones climáticos. La investigación tiene un objetivo más amplio que simplemente reprogramar las computadoras existentes, constituye un sistema para manejar tareas de forma más cercana al modo operativo del cerebro humano.

Información complementaria: Emergent dynamics of neuromorphic nanowire networks

Sinapsis artificiales hechas con nanocables de ZnO.

Las computadoras pueden conducir autos, traducir textos, derrotar a campeones mundiales de ajedrez y mucho más. Lamentablemente las redes neuronales solo pueden simularse de una manera muy incómoda e ineficiente utilizando el hardware convencional.

Los sistemas con chips neuromórficos capaces de que imitar la forma de funcionamiento del cerebro humano ofrecen ventajas significativas. Estos tipos de computadoras funcionan de manera descentralizada, teniendo a su disposición una multitud de procesadores que, como las neuronas en el cerebro, están conectadas entre sí por redes. Si un procesador se descompone, otro puede asumir su función. Además, tal como ocurre en el cerebro, cuando la práctica lleva a una señal mejorada, un procesador bioinspirado debe tener la capacidad de aprender.

Crédito: Forschungszentrum Jülich

Científicos de Italia y Alemania, publicaron el 6 de diciembre el 2018, el artículo “Self-limited single nanowire systems combining all-in-one memristive and neuromorphic functionalities” en la revista Nature Communications, para presentar un memristor (una contracción de las palabras memoria y resistor),  hecho de nanohilos, capaz de funcionar de manera muy similar a una célula nerviosa biológica. El componente no sólo guarda y procesa información, también puede recibir numerosas señales en paralelo. La célula de conmutación resistiva hecha de nanocables de óxido de zinc se constituye en un elemento ideal en la construcción de procesadores "neuromórficos bioinspirados", capaces de asumir las diversas funciones de las sinapsis biológicas y las neuronas. El componente memristivo resultante se caracteriza por ocupar una pequeña cantidad de espacio y también por cambiar mucho más rápido que la memoria flash. Su producción es comparativamente sencilla. Los nanocables se fabrican mediante deposición por evaporación de materiales específicos sobre un sustrato adecuado en el cual prácticamente crecen por su propia cuenta. En una celda en funcionamiento, ambos extremos del nanocable deben estar unidos a metales adecuados, en este caso platino y plata. Los metales funcionan como electrodos y, además, liberan iones activados por una corriente eléctrica apropiada. También los iones metálicos pueden extenderse sobre la superficie del cable y construir un puente parcial para modificar la conductividad. 
Otro pequeño paso hacia la construcción de un cerebro artificial, similar al humano, prometido para el año 2025.

Información complementaria:
Self-limited single nanowire systems combining all-in-one memristive and neuromorphic functionalities.
Inteligencia artificial o humana en un cerebro artificial.

Nanocables modulan señales eléctricas en el cerebro.

El cerebro humano sigue siendo en gran medida una caja negra. La pregunta es: ¿cómo una red de señales eléctricas rápidas genera movimiento, pensamiento  y enfermedades? Encontrar una manera precisa y fácil de manipular la señalización eléctrica entre las neuronas puede conducirnos a las respuestas. En el artículo “Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires”, publicado el 19 de febrero del 2018 en Nature Nanotechnology, investigadores de la Universidad de Chicago,  construyeron nanocables de silicio coaxiales independientes capaces de crear una pequeña corriente eléctrica, para modular las señales del cerebro, cuando se hace incidir luz sobre ellos . 

La varilla en la parte superior derecha está posicionada para modificar la
 señalización eléctrica entre las neuronas.  Crédito: Parameswaran, et al.

El oro, difundido por un proceso especial en la superficie del nanocable, actúa como un catalizador para promover las reacciones  electroquímicas. Tanto el oro como el silicio son materiales biocompatibles. Cuando el cable está en su lugar y es iluminado, la diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula se reduce ligeramente. Esto disminuye la barrera para que la neurona dispare una señal eléctrica a las células vecinas. Trabajando con neuronas de ratas cultivadas en el laboratorio, pudieron activarlas para que disparen señales eléctricas. El sistema podría ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo funcionan estas señales eléctricas en el cerebro y sugerir formas de abordar problemas como los trastornes psiquiátricos o la enfermedad de Parkinson.

Lectura complementaria:

Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires.

Nanocables registran la nanoactividad de las neuronas.

Investigadores, de la Universidad de California de San Diego y de Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, desarrollaron nanocables que pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas en sus mínimos detalles.  La nueva tecnología de nanocables podría ayudar a los investigadores a entender mejor cómo las células se comunican solo en grandes redes neuronales y servir como una plataforma de selección de medicamentos para enfermedades neurológicas. El dispositivo consta de una matriz de nanocables de silicio densamente empaquetadas en un pequeño chip con dibujos de electrodos conductores de níquel. Los nanocables asoman dentro de las células sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles para medir pequeños cambios de potenciales de unos pocos milivoltios de magnitud. Los científicos utilizaron los nanocables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas que fueron aisladas de ratones y producidas a partir de células madre humanas. Estas neuronas, in vitro,  en una interfase con la matriz de nanocables  sobrevivieron y funcionaron en forma continua durante las seis semanas de experimentación. La tecnología, permite descubrir los detalles acerca de la salud, la actividad de la neurona y la respuesta a los fármacos, mediante la medición de las corrientes del canal de iones y los cambios en su potencial intracelular, debido a la diferencia en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la célula. La medición es sensible a pequeños cambios potenciales y proporciona lecturas con altas relaciones de señal a ruido. Otra característica innovadora de esta tecnología es que se puede aislar la señal eléctrica medida por cada nanocable individual. Algo inusual en las tecnologías existentes, en las cuales los cables están cortocircuitados eléctricamente entre sí y no se puede diferenciar la señal de cada uno. El chip de nanocables podría, entre otras cosas, ser utilizado en los modelos cerebrales derivados de células madre para la identificación de los fármacos más eficaces en el tratamiento de las enfermedades neurológicas.

Lectura complementaria:

High Density Individually Addressable Nanowire Arrays Record Intracellular Activity from Primary Rodent and Human Stem Cell Derived Neurons.

Manobiocables de alta conductividad.

Los investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst, dirigidos por el microbiólogo Dr. Derek Lovley, modificaron genéticamente una bacteria común del suelo para crear nanocables eléctricos capaces de conducir la electricidad. Un material para ser utilizado en nanoelectrónica constituido por proteínas naturales y producido utilizando recursos energéticos "verdes" renovables . Geobacter es una bacteria productora de nanocables microbianos (filamentos proteicos similares a pelos que sobresalen del organismo) con los cuales realiza conexiones eléctricas con los óxidos de hierro del suelo. Generalmente produce suficiente electricidad para su propia supervivencia, no obstante la corriente eléctrica es demasiado débil para uso en humanos, aunque es suficiente para ser medida con electrodos. El equipo del Dr. Derek Lovley varió la composición genética de la bacteria para incorporar en sus proteínas más aminoácido triptófano muy bueno para el transporte de electrones a nanoescala. Los resultados superaron las expectativas del equipo; los nanocables “genéricos” con mayor cantidad de triptófano y  un diámetro de 1,5 nanómetros conducen 2000 veces más la corriente eléctrica y son mucho más duraderos y pequeños que los naturales. Estos nanocables presentan numerosas aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos e informáticos. Por ejemplo, pueden ser instalados en los sensores médicos donde su sensibilidad a los cambios de pH permite controlar aspectos cardíacos o renales, pueden  “alimentar eléctricamente” a microorganismos especialmente diseñados para crear butanol u otros combustibles alternativos y formar parte de nanochips para monitorear  contaminantes, productos químicos tóxicos y explosivos. Nanobiocables de alta conductividad, un ejemplo de desarrollo realizado a partir del conocimiento y las necesidades de las nuevas tecnologías (NBIC). 

Lectura complementaria:

Synthetic Biological Protein Nanowires with High Conductivity.