La molienda del arroz para separar el grano de la cáscara produce unos 100 millones de toneladas de residuos de cáscara de arroz al año en todo el mundo.
Los científicos del Centro de Ciencias Naturales para la Investigación Básica y el Desarrollo de la Universidad de Hiroshima, buscando un método escalable para fabricar puntos cuánticos, han desarrollado una forma de reciclar las cáscaras de arroz para crear la primera luz LED de puntos cuánticos (QD) de silicio. Su nuevo método transforma los residuos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de forma económica y respetuosa con el medio ambiente.
Dado que los QDs típicos suelen incluir material tóxico, como el cadmio, el plomo u otros metales pesados, se ha deliberado con frecuencia sobre las preocupaciones medioambientales al usar nanomateriales. El proceso y el método de fabricación de QD que proponemos minimizan estas preocupaciones.
Ken-ichi Saitow, autor principal del estudio y profesor de química de la Universidad de Hiroshima.
Desde que se descubrió el silicio poroso (Si) en la década de 1950, los científicos han explorado sus aplicaciones en baterías de iones de litio, materiales luminiscentes, sensores biomédicos y sistemas de administración de fármacos. El Si, que no es tóxico y se encuentra en abundancia en la naturaleza, tiene propiedades de fotoluminiscencia, derivadas de sus estructuras de puntos microscópicos (de tamaño cuántico) que sirven de semiconductores.
Conscientes de las preocupaciones medioambientales que rodean a los puntos cuánticos actuales, los investigadores se propusieron encontrar un nuevo método para fabricar puntos cuánticos que tuviera un impacto medioambiental positivo. Resulta que la cáscara de arroz de desecho es una excelente fuente de sílice (SiO2) de gran pureza y polvo de Si de valor añadido.
El equipo usó una combinación de molienda, tratamientos térmicos y grabado químico para procesar la sílice de la cáscara de arroz:
- En primer lugar, molieron la cáscara de arroz y extrajeron el polvo de sílice (SiO2) quemando los compuestos orgánicos de la cáscara de arroz molida.
- En segundo lugar, calentaron el polvo de sílice resultante en un horno eléctrico para obtener polvos de Si mediante una reacción de reducción.
- En tercer lugar, el producto era un polvo de Si purificado que se redujo aún más a un tamaño de 3 nanómetros mediante grabado químico.
- Por último, su superficie se funcionalizó químicamente para conseguir una alta estabilidad química y una alta dispersividad en el disolvente, con partículas cristalinas de 3 nm para producir los SiQDs que presentan una luminiscencia en el rango naranja-rojo con una alta eficiencia de luminiscencia de más del 20%.
Se trata de la primera investigación que desarrolla un LED a partir de cáscaras de arroz de desecho. La calidad no tóxica del silicio los convierte en una alternativa atractiva a los actuales puntos cuánticos semiconductores disponibles en la actualidad.
El presente método se convierte en un método noble para desarrollar LEDs de puntos cuánticos respetuosos con el medio ambiente a partir de productos naturales.
Ken-ichi Saitow
Los LED se ensamblaron como una serie de capas de material.
Un sustrato de vidrio de óxido de indio y estaño (ITO) fue el ánodo del LED; es un buen conductor de la electricidad y suficientemente transparente para la emisión de luz. Sobre el vidrio ITO se aplicaron capas adicionales, incluida la capa de SiQDs. El material se cubrió con un cátodo de película de aluminio.
El método de síntesis química desarrollado por el equipo les ha permitido evaluar las propiedades ópticas y optoeléctricas del diodo emisor de luz SiQD, incluidas las estructuras, los rendimientos de la síntesis y las propiedades de los polvos de SiO2 y Si y de los SiQD.
Al sintetizar SiQDs de alto rendimiento a partir de cáscaras ricas y dispersarlas en disolventes orgánicos, es posible que un día estos procesos puedan aplicarse a gran escala, como otros procesos químicos de alto rendimiento.
Ken-ichi Saitow
Los próximos pasos del equipo incluyen el desarrollo de una luminiscencia de mayor eficacia en los SiQD y los LED.
También explorarán la posibilidad de producir LEDs de SiQD distintos del color naranja-rojo que acaban de crear.
De cara al futuro, los científicos sugieren que el método que han desarrollado podría aplicarse a otras plantas, como el bambú de la caña de azúcar, el trigo, la cebada o las hierbas, que contienen SiO2.
Estos productos naturales y sus residuos podrían tener el potencial de ser transformados en dispositivos optoelectrónicos no tóxicos.
En última instancia, los científicos desearían ver la comercialización de este enfoque ecológico para crear dispositivos luminiscentes a partir de residuos de cáscara de arroz.
Más información: pubs.acs.org (texto en inglés).
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