La molienda del arroz para separar el grano de la cáscara genera alrededor de 100 millones de toneladas de desechos de cáscara de arroz en todo el mundo cada año. Los científicos que buscan una forma escalable de fabricar puntos cuánticos han ideado una forma de reciclar cáscaras de arroz para crear la primera luz LED utilizando puntos cuánticos de silicio (QD). Su nuevo proceso transforma los desechos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de una manera rentable y respetuosa con el medio ambiente.

Fuente: Reproducido de ACS Sustainable Chem. Ing. 2022, 10, 1765-1776. Derechos de autor ACS

La molienda del arroz para separar el grano de la cáscara genera alrededor de 100 millones de toneladas de desechos de cáscara de arroz en todo el mundo cada año. Los científicos que buscan una forma escalable de fabricar puntos cuánticos han ideado una forma de reciclar cáscaras de arroz para crear la primera luz LED utilizando puntos cuánticos de silicio (QD). Su nuevo proceso transforma los desechos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de una manera rentable y respetuosa con el medio ambiente.

El equipo de investigación del Centro de Ciencias Naturales para la Investigación y el Desarrollo Básicos de la Universidad de Hiroshima publicó sus hallazgos el 28 de enero de 2022 en la revista American Chemical Society. ACS Sustentable Química y Tecnología.

“Debido a que los QD típicos a menudo contienen materiales tóxicos como cadmio, plomo u otros metales pesados, las preocupaciones ambientales a menudo se han tenido en cuenta al usar nanomateriales. Nuestro proceso y método de fabricación propuestos para QD minimiza estas preocupaciones”, dijo Ken-ichi Saitow, autor principal del estudio y profesor de química en la Universidad de Hiroshima.

Desde el descubrimiento del silicio poroso (Si) en la década de 1950, los científicos han explorado su uso en aplicaciones en baterías de iones de litio, materiales luminiscentes, sensores biomédicos y sistemas de administración de fármacos. El Si no es tóxico y es abundante en la naturaleza. Tiene propiedades de fotoluminiscencia, que se deben a sus estructuras de puntos microscópicos (de tamaño cuántico) que sirven como semiconductores.

Conscientes de las preocupaciones ambientales que rodean a los puntos cuánticos actuales, los investigadores se propusieron encontrar una nueva forma de fabricar puntos cuánticos que tuvieran un impacto positivo en el medio ambiente. Resulta que las cáscaras de arroz de desecho son una excelente fuente de dióxido de silicio de alta pureza (SiO2) y polvo de Si refinado.

El equipo usó una combinación de molienda, tratamientos térmicos y grabado químico para procesar la sílice de cáscara de arroz: primero, molieron cáscaras de arroz y extrajeron dióxido de silicio (SiO2) polvo obtenido quemando compuestos orgánicos de la cáscara de arroz molido. En segundo lugar, calentaron el polvo de sílice resultante en un horno eléctrico para obtener polvo 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. Finalmente, su superficie se funcionalizó químicamente con partículas cristalinas de 3 nm para lograr una alta estabilidad química y una alta dispersividad en solventes para fabricar los SiQD que brillan en la región naranja-roja con una alta eficiencia de luminiscencia de más del 20 %.

«Esta es la primera investigación para desarrollar un LED hecho de cáscaras de arroz de desecho», dijo Saitow, y agregó que la calidad no tóxica del silicio lo convierte en una alternativa atractiva a los puntos cuánticos semiconductores actualmente disponibles.

«El presente método se convierte en un método noble para desarrollar LED de puntos cuánticos ecológicos a partir de productos naturales», dijo.

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 LED; es un buen conductor de electricidad siendo suficientemente transparente para la emisión de luz. Se hilaron capas adicionales sobre el vidrio ITO, incluida la capa de SiQD. 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 síntesis y las propiedades del SiO.2 y polvo de Si y SiQD.

«Al sintetizar SiQD de alto rendimiento a partir de capas ricas y dispersarlas en solventes orgánicos, es posible que estos procesos algún día puedan implementarse a gran escala como otros procesos químicos de alto rendimiento», dijo Saitow.

Los próximos pasos del equipo incluyen el desarrollo de una luminiscencia de mayor eficiencia en los SiQD y los LED. También explorarán la posibilidad de fabricar LED SiQD con un color diferente al color rojo anaranjado que acaban de desarrollar. De cara al futuro, los científicos sugieren que el método que han desarrollado podría aplicarse a otras plantas como la caña de azúcar, el bambú, el trigo, la cebada o las gramíneas que contienen SiO.2. Estos productos naturales y sus desechos podrían tener el potencial de convertirse en dispositivos optoelectrónicos no tóxicos. En última instancia, los científicos desean comercializar este enfoque ecológico para fabricar dispositivos de iluminación a partir de desechos de cáscara de arroz.

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Otros miembros del equipo de investigación, también de la Universidad de Hiroshima, son Honoka Ueda, Shiho Terada y Taisei Ono.

La investigación está financiada por Investigadores Líderes Mundiales de Próxima Generación de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS), Subvenciones para la Investigación Científica de JSPS, el programa de Función y Control de Estructura PRESTO de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, y la Fundación Japón Keirin Autorace (JKA).

Acerca de la Universidad de Hiroshima

Desde su establecimiento en 1949, la Universidad de Hiroshima se ha esforzado por convertirse en una de las universidades más destacadas y completas de Japón para la promoción y el desarrollo de la ciencia y la educación. La universidad, que consta de 12 escuelas de pregrado y 4 escuelas de posgrado que van desde ciencias naturales hasta humanidades y ciencias sociales, se ha convertido en una de las universidades de investigación integral más prestigiosas de Japón.
Sitio web en inglés: https://www.hiroshima-u.ac.jp/en


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