Investigación
Las celdas de combustible de alcohol directo son dispositivos de conversión de energía que permiten obtener alta potencia con un rendimiento elevado. Se basan en la reacción controlada entre un alcohol líquido (metanol, etanol, isopropanol) y oxígeno. En el caso particular de utilizar etanol (DEFC), su uso se vuelve ventajoso cuando el bioetanol producido a partir de la biomasa residual se utiliza como fuente sostenible del combustible. El diseño de catalizadores capaces de oxidar completamente un alcohol a CO2 es un desafío hasta el día de hoy.
Trabajamos en el diseño de catalizadores que preparamos modificando superficies de electrodos con nanopartículas metálicas embebidas en polímeros. Variamos el tamaño, forma, disposición espacial y composición de las nanopartículas buscando entender la influencia de estos factores en el desempeño del catalizador.
Las baterias de flujo redox son sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía en los cuales las especies electroactivas se encuentran en estado líquido (a diferencia de otras baterías, por ej. las de Li-ion, en las cuales las especies redox son sólidas). Los fluidos redox pueden ser por lo tanto almacenados en tanques externos, lo cual desacopla la capacidad electroquímica de la batería del tamaño de la celda.
Nuestro grupo desarrolla polielectrolitos (polimeros cargados) electroactivos para su uso en fluidos redox. Sintetizamos diversos tipos de polielectroelectrolitos, buscando maximizar su desempeño en la bateria. Construimos baterias de flujo combinando estos materiales y celdas fabricadas por impresión 3D.
De las distintas tecnologías de almacenamiento energético de próxima generación basadas en litio, las baterías de Li-O2 resultan prometedoras, pues poseen una capacidad especifica teórica muy elevada comparada con el estándar usado (ion litio). Como desventaja, las baterías de Li-O2 presentan distintos problemas en lo que respecta a las reacciones de electrodo. En particular, la reacción directa entre el litio metálico (ánodo) y trazas de agua disueltas en el electrolito, sumado a la formación de dendritas de litio durante los sucesivos ciclos de carga y descarga son dos de las principales causas del deterioro precoz de las baterías. Sumado a esto, la reacción de oxidación de Li2O2 que ocurre en el cátodo durante la carga de la batería posee un sobrepotencial muy elevado, lo cual produce la oxidación inespecífica del solvente. Por último, y también en el cátodo, a lo largo de los ciclos de carga y descarga se produce la formación constante de oxígeno singulete (1O2, producto de la reacción de dismutación del intermediario anión superóxido) que puede reaccionar con el solvente orgánico circundante formando productos de reacción no deseados que terminan por pasivar el electrodo. En SIM-G buscamos atacar todas estas problemáticas a través del desarrollo de electrolitos gelificados conteniendo: 1) polímeros (para proporcionar la estructura del gel), 2) solvente orgánico polar aprótico (como plastificante líquido), 3) sales de litio (para favorecer el transporte de carga), 4) desactivadores físicos de 1O2 (para proteger al electrolito), y 5) mediadores redox (para bajar el sobrepotencial de carga y proteger tanto al electrolito como al desactivador de 1O2). De esta manera, este electrolito actúa como barrera contra la contaminación de agua (protección del ánodo), produce un aumento en el número de transferencia de iones litio (protección contra la formación de dendritas de litio) y funciona como protector del solvente protegiendo la interfaz cátodo/electrolito. Estos materiales se obtienen con diferentes metodologías como la gelificación física y química.
Tanto las baterías como los supercapacitores son dispositivos de almacenamiento de energía que dependen de procesos electroquímicos, sin embargo, sus mecanismos de almacenamiento de carga son diferentes, dando lugar a diferentes densidades de energía. Las diferencias básicas entre supercapacitores y baterías radican en sus diferentes mecanismos de almacenamiento de carga y los materiales y estructuras de los electrodos que los componen. Por lo general, las baterías y pilas de combustible están diseñadas para proporcionar una alta densidad de energía, almacenando alta cantidad de carga en electrodos a través de reacciones faradaicas, mientras que los supercapacitores pueden proporcionar alta densidad de potencia debido a mecanismos superficiales de almacenamiento de carga. Los materiales pseudocapacitivos almacenan la carga a través de reacciones redox similares a la batería, pero a velocidades rápidas y comparables a las de los capacitores electroquímicos de doble capa, mostrando una respuesta electroquímica similar a la de un capacitor.
Sintetizamos carbones con porosidad en la meso y microescala, útiles en supercapacitores. Caracterizamos exhaustivamente estos materiales y estudiamos su comportamiento electroquímico, para optimizar la síntesis de los mismos. Asimismo modificados superficialmente estos materiales con sustancias con funcionalidades redox, de forma de desarrollar materiales que puedan servir para preparar pseudocapacitores.
El autoensamblado es un proceso mediante el cual las moléculas forman estructuras ordenadas sin intervención externa. Este intrigante fenómeno es actualmente explotado en la síntesis de nuevos materiales blandos para distintas aplicaciones. Estudiamos el autoensamblado de nanoestructuras de péptido anfifilos, moléculas que poseen una región peptídica y una cola terminal hidrofóbica. En solución, estas moléculas pueden formar una variedad de nanoestructuras autoensambladas, incluyendo micelas esféricas, fibras, cintas planas y cintas helicoidales. Se ha observado que la morfología de las nanoestructuras autoensambladas es crucial para determinar la actividad biológica de los péptidos anfifilos.
Nuestro grupo ha desarrollado metodologías teóricas basadas en la mecánica estadística para predecir la morfología de las nanoestructuras autoensambladas de anfifilos en función de su estructura química, la composición del medio (fuerza iónica y pH) y la presencia de sustancias encapsuladas. Colaboramos con el grupo del Prof. Martin Conda Sheridan (Centro Médico de la Universidad de Nebraska, EE. UU.) para estudiar los péptido-anfifilos en forma experimental y comparar las predicciones de nuestro modelo con medidas realizadas por distintas técnicas de caracterización de nanoestructuras (SAXS, DLS y microscopias TEM y AFM).
Los supercristales de nanopartículas (NPSL, pos sus siglas en inglés) son arreglos tridimensionales ordenados (es decir, cristales) de nanopartículas. Podemos pensar estos materiales como los equivalentes nanoscópicos de los sólidos cristalinos atómicos, en los que cada posición de la red cristalina está ocupada por una nanopartícula en lugar de por un ion o un átomo. Sin embargo, el comportamiento de fase de los NPSLs es muy diferente al observado en escalas más pequeñas (cristales atómicos) o más grandes (cristales coloidales de partículas micrométricas). Los NPSL binarios, es decir, supercristales formados por partículas de dos tamaños diferentes, son especialmente interesantes debido a su intrincado comportamiento de fase, que incluye estructuras supercristalinas equivalentes a sólidos iónicos (como MgZn2 y NaCl) y aleaciones intermetálicas (Cu3Au, Na13Zn, Li3Bi, etc.). El comportamiento de los NPSLs se debe a su naturaleza “blanda”: los ligandos orgánicos de la superficie de las nanopartículas estabilizan ciertas fases cristalinas sobre otras.
Nuestro grupo busca comprender el comportamiento de fase de los NPSLs utilizando una herramienta de termodinámica estadística para el modelado de materiales blandos conocida como teoría molecular, la cual describe explícitamente los ligandos orgánicos en las superficies de las nanopartículas, así como las moléculas de solvente residuales en los huecos del supercristal. Comparamos nuestras predicciones teóricas con simulaciones de dinámica molecular (realizadas en colaboración con el grupo del Prof. Alex Travesset, Iowa-State University) y observaciones experimentales.
Los polímeros son candidatos interesantes para los electrolitos de litio de estado sólido debido a su baja inflamabilidad y volatilidad, su fácil procesabilidad y sus buenas propiedades mecánicas. Los copolímeros en bloque, sobre todo el PEO-PS, son un tipo de electrolito polimérico que se ha estudiado ampliamente para las baterías de iones de litio. Las moléculas de copolímeros en bloque contienen dos bloques inmiscibles que se autoensamblan en dominios ordenados. En el PEO-PS, el PEO (poli(oxido de etileno) disuelve y transporta selectivamente iones de litio, mientras que el PS (poliestireno) proporciona estabilidad mecánica. Estos dominios pueden adoptar diferentes morfologías, como ser fases lamelares, hexagonales, giroide, etc.
En colaboración con el grupo del Prof. Marcus Müller (Universidad de Göttingen, Alemania) desarrollamos una metodología de simulación para estudiar el PEO-PS/LiTFSI en condiciones in operando (es decir, en una batería en operación) y a una escala de longitud de micrones. Esta metodología permite predecir la conductividad del material y utiliza la teoría de la cadena única en un campo medio (SCMF), un método muy eficiente para simular grandes sistemas de materia blanda, la cual utiliza una descripción de grano grueso del sistema y trata las interacciones no enlazadas de forma aproximada mediante un enfoque de partículas/campo de densidad. Estas características aceleran enormemente la simulación y permiten su implementación en un código informático masivamente paralelo acelerado por GPU.
La mezcla de dos polielectrolitos de carga opuesta disueltos en agua puede dar lugar a un proceso de separación de fases, produciéndose una fase diluida en polímeros y una fase concentrada compuesta principalmente por complejos interpoliméricos estabilizados por interacciones no covalentes, conocidos como complejos de polielectrolito. La fisicoquímica de estos compuestos y el estudio del proceso de separación de fases se han estudiado extensamente, y aún hoy siguen siendo foco de atención. Por otro lado, se ha demostrado también que es posible obtener compuestos similares ya no mediante la mezcla de dos polielectrolitos de carga opuesta, sino mediante la mezcla de un polielectrolito y una molécula pequeña con suficiente carga (opuesta a la del polielectrolito), es decir, coacervatos asimétricos. Además, ajustando debidamente las concentraciones y relaciones molares de los reactivos, es posible obtener fases de tipo coloidal formadas por una dispersión de agregados nanométricos similares a células sin membrana (gotas poliméricas insolubles en agua capaces de internalizar moléculas de interés biomédico).
En SIM-G trabajamos para comprender la fisicoquímica detrás del fenómeno de separación de fases y estabilización en fase coloidal de estos compuestos e investigamos cómo a partir de este entendimiento es posible guiar al sistema a encapsular macromoléculas de interés terapéutico (proteínas). En colaboración con el laboratorio del Dr. Omar Azzaroni (INIFTA, UNLP), el laboratorio del Dr. Guillermo Docena (IIFP, UNLP), y el laboratorio del Dr. Maximiliano Agazzi (IDAS, UNRC) empleamos nanogotas de coacervatos asimétricos como materiales bifuncionales (nanovehículo de antígeno + agente adyuvante) en la preparación de vacunas. Algunas de las aplicaciones concretas en las que trabajamos incluyen: enfermedades de ganado, SARS-CoV-2, cáncer, entre otras.
La colonización de superficies biomédicas por biopelículas bacterianas es motivo de preocupación, ya que estos microorganismos muestran una mayor resistencia a los antimicrobianos en las biopelículas que en los cultivos líquidos. El desarrollo de recubrimientos antimicrobianos que puedan aplicarse fácilmente a objetos de formas complejas de relevancia médica, como implantes e instrumentos quirúrgicos, constituye una línea de investigación importante y desafiante.
En colaboración con el Prof. Martin Conda Sheridan del Centro Medico de la Universidad de Nebraska (EE. UU) desarrollamos métodos de preparación de superficies antibacterianas mediante electrodeposición de péptidos anfifílicos catiónicos. Estas moléculas poseen una cola terminal hidrofóbica y una región peptídica cargada positivamente, la cual ataca las membranas bacterianas cargadas negativamente, produciendo la eliminación de las bacterias.
En construcción...
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