Los nanomateriales a base de carbono se utilizan cada vez más en electrónica, conversión y almacenamiento de energía, catálisis y biomedicina debido a su baja toxicidad, estabilidad química y excepcionales capacidades eléctricas y ópticas.
Los CNO, o nanocebollas de carbono, no son una excepción. Parecidos a jaulas dentro de jaulas, los CNO son nanoestructuras reportadas por primera vez en 1980 compuestas de capas concéntricas de fullereno. Tienen varias propiedades deseables, incluida una gran área superficial y una alta conductividad eléctrica y térmica.
Desafortunadamente, también existen importantes inconvenientes en el uso de métodos tradicionales para fabricar CNO. Algunos cuestan mucho tiempo y energía, otros requieren condiciones de síntesis difíciles, como altas temperaturas o vacío.
Algunos métodos pueden superar estas limitaciones, pero requieren catalizadores sofisticados, suministros de carbón costosos o ambientes ácidos o básicos peligrosos. Esto limita severamente el potencial de los CNO.
Sin embargo, todavía hay algo de esperanza. Un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nagoya en Japón descubrió recientemente un método claro, conciso y práctico para convertir los desechos de pescado en CNO de muy alta calidad, que se publicó en la revista química verde (disponible en línea el 25el2022, y publicado en el número 10 del 21 de mayoS t2022).
El grupo, que incluía al profesor asociado Takashi Shirai, al estudiante de maestría Kai Odachi y al profesor asistente Yunzi Xin, desarrolló un método de síntesis en el que las escamas de pescado, que se eliminan después de lavar los desechos de pescado, se convierten rápidamente en CNO mediante pirólisis por microondas.
Pero, ¿cómo es posible hacer CNO a partir de escamas de pescado tan rápidamente? La investigación cree que el colágeno que se encuentra en las escamas de pescado, que puede absorber suficiente radiación de microondas para provocar un rápido aumento de la temperatura, es responsable del fenómeno, aunque la causa exacta no está 100 % clara.
Esto conduce a la degradación térmica, también conocida como “pirólisis”, que produce ciertos gases necesarios para la construcción de los CNO. Este método es notable porque puede convertir escamas de pescado en CNO en menos de 10 segundos sin el uso de catalizadores difíciles, entornos hostiles o tiempos de espera prolongados.
Además, esta técnica sintética produce CNO con una cristalinidad muy alta. Esto es increíblemente difícil de lograr en procesos que utilizan residuos de biomasa como fuente inicial. Además, los grupos (−COOH) y (−OH) se unen selectiva y extensamente a la superficie de los CNO durante la síntesis.
En marcado contraste está la superficie de los CNO preparados de forma tradicional, que suele estar desnuda y requiere más procesos para su funcionalización.
Las aplicaciones de los CNO están significativamente influenciadas por esta funcionalización «automática». Debido a una atractiva relación conocida como apilamiento pi-pi, las nanoestructuras tienden a unirse cuando la superficie CNO no está funcionalizada.
Como resultado, son difíciles de dispersar en solventes, lo cual es esencial para cualquier aplicación que requiera procesos basados en soluciones. Dado que el método sintético propuesto produce CNO funcionalizados, permite una dispersabilidad excepcional en una variedad de solventes.
Las propiedades ópticas sin precedentes son otra ventaja combinada con funcionalización y alta cristalinidad.
Los CNO exhiben una emisión de luz visible ultrabrillante con una eficiencia (o rendimiento cuántico) del 40 %. Este valor sin precedentes es aproximadamente 10 veces mayor que el de los CNO informados anteriormente sintetizados utilizando métodos convencionales.
Takashi Shirai, profesor asociado, Departamento de Ciencias de la Vida y Química Aplicada, Instituto de Tecnología de Nagoya
Los investigadores demostraron cómo se usaron sus CNO en LED y películas delgadas que producen luz azul, como ejemplos de las muchas aplicaciones prácticas de sus CNO. Los CNO produjeron una emisión muy constante tanto en dispositivos sólidos como cuando se dispersaron en una variedad de solventes como agua, etanol e isopropanol.
Shirai agregó: «Las propiedades ópticas estables podrían permitirnos fabricar películas flexibles emisivas de gran área y dispositivos LED. Estos resultados abrirán nuevas vías para el desarrollo de pantallas de próxima generación e iluminación de estado sólido.”
El método de síntesis propuesto también proporciona una solución simple para convertir los desechos de pescado en componentes exponencialmente más beneficiosos y, al mismo tiempo, benignos para el medio ambiente. El equipo confía en que sus esfuerzos ayudarán a las Naciones Unidas a alcanzar la mayoría de sus Objetivos de Desarrollo Sostenible.
Además, los CNO podrían reducir significativamente el costo de fabricación de pantallas QLED e iluminación LED de próxima generación.
Existe la expectativa de que los esfuerzos de estos científicos ayuden a los CNO a obtener una mayor aceptación en las aplicaciones del mundo real.
【Investigación】 Producción de nanocebollas de carbono a partir de escamas de pescado mediante pirólisis por microondas
Preparación de nanocebollas de carbono a partir de escamas de pescado mediante pirólisis por microondas. Crédito de video: NITech, Japón.
Referencia de la revista:
Xin, Y. et al. (2022) Preparación de nanocebollas de carbono ultrabrillantes mediante pirólisis de microondas de un solo paso de desechos de escamas de pescado en segundos. química verde. doi:10.1039/d1gc04785j.
Fuente: https://www.nitech.ac.jp/eng/index.html
