Científicos que buscan un método escalable para fabricar puntos cuánticos han desarrollado una forma de reciclar cáscaras de arroz para crear la primera luz LED de punto cuántico (QD) de silicio.
Su nuevo método transforma los desechos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de una manera económica y respetuosa con el medio ambiente.
Los puntos cuánticos son fotoactivos, lo cual quiere decir que absorben luz y son capaces de emitirla después. Cuando lo hacen, la luz que emite cada punto es un color específico (o longitud de onda), dependiendo del tamaño del núcleo. Esto ocurre sin importar que los puntos estén hechos del mismo material.
El equipo de investigación de la Universidad de Hiroshima publicó sus hallazgos en la revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
“Dado que los QD típicos a menudo involucran material tóxico, como cadmio, plomo u otros metales pesados, las preocupaciones ambientales se han deliberado con frecuencia al usar nanomateriales. Nuestro proceso y método de fabricación propuestos para QD minimiza estas preocupaciones”, dijo en un comunicado Ken-ichi Saitow, autor principal del estudio y profesor de química en la Universidad de Hiroshima.
Desde que se descubrió el silicio poroso (Si) en la década de 1950, los científicos han explorado sus usos en aplicaciones en baterías de iones de litio, materiales luminiscentes, sensores biomédicos y sistemas de administración de fármacos. No tóxico y abundante en la naturaleza, el Si tiene propiedades fotoluminiscentes, derivadas de 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 un nuevo método para fabricar puntos cuánticos que tuviera un impacto ambiental positivo. Resulta que las cáscaras de arroz de desecho son una excelente fuente de sílice de alta pureza (SiO2) y polvo de silicio de valor agregado.
El equipo usó una combinación de molienda, tratamientos térmicos y grabado químico para procesar la sílice de la cáscara de arroz: primero, molieron las cáscaras de arroz y extrajeron polvos de sílice (SiO2) quemando los compuestos orgánicos de las cáscaras de arroz molidas. 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.
Finalmente, su superficie se funcionalizó químicamente para lograr una alta estabilidad química y una alta dispersividad en solvente, con partículas cristalinas de 3 nm para producir los SiQD que luminiscentes en el rango naranja-rojo con una alta eficiencia de luminiscencia de más del 20 %.
“Esta es la primera investigación para desarrollar un LED a partir 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 actuales disponibles en la actualidad.
“El método actual se convierte en un método noble para desarrollar LED de puntos cuánticos respetuosos con el medio ambiente a partir de productos naturales”, dijo.
Luces LED con cáscaras de arroz: las expectativas
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 la electricidad y suficientemente transparente para la emisión de luz. Se recubrieron por rotación 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 que desarrolló 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 de los polvos de SiO2 y Si y los SiQD.
“Al sintetizar SiQD de alto rendimiento a partir de cáscaras ricas y dispersarlas en solventes orgánicos, es posible que algún día estos procesos 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 producir LED SiQD distintos del color rojo anaranjado que acaban de crear.
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 SiO2. Estos productos naturales y sus desechos podrían tener el potencial de ser transformados en dispositivos optoelectrónicos no tóxicos.
