Una procedura di sintesi sviluppata dagli scienziati di NITech può convertire le squame di pesce ottenute dai rifiuti di pesce in un utile nanomateriale a base di carbonio. Il loro approccio utilizza le microonde per abbattere termicamente le squame tramite pirolisi in meno di 10 secondi, producendo nano-cipolle di carbonio con una qualità senza precedenti rispetto a quelle ottenute dai metodi convenzionali. Credito:Takashi Shirai di NITech, Giappone
Grazie alla loro bassa tossicità, stabilità chimica e notevoli proprietà elettriche e ottiche, i nanomateriali a base di carbonio stanno trovando sempre più applicazioni in elettronica, conversione e stoccaggio di energia, catalisi e biomedicina. Le nano-cipolle di carbonio (CNO) non fanno certamente eccezione. Segnalati per la prima volta nel 1980, i CNO sono nanostrutture composte da gusci concentrici di fullereni, simili a gabbie all'interno di gabbie. Offrono molteplici qualità attraenti come un'elevata superficie e grandi conducibilità elettriche e termiche.
Sfortunatamente, i metodi convenzionali per la produzione di CNO presentano alcuni seri inconvenienti. Alcuni richiedono condizioni di sintesi difficili, come temperature elevate o vuoto, mentre altri richiedono molto tempo ed energia. Alcune tecniche possono aggirare queste limitazioni, ma richiedono invece catalizzatori complessi, costose fonti di carbonio o pericolose condizioni acide o basiche. Ciò limita notevolmente il potenziale dei CNO.
Fortunatamente, non tutte le speranze sono perse. In un recente studio pubblicato su Green Chemistry , un team di scienziati del Nagoya Institute of Technology in Giappone ha trovato un modo semplice e conveniente per trasformare i rifiuti di pesce in CNO di altissima qualità. Il team, che comprendeva l'assistente del professor Yunzi Xin, lo studente del Master Kai Odachi e il professore associato Takashi Shirai, ha sviluppato un percorso di sintesi in cui le squame di pesce estratte dai rifiuti di pesce dopo la pulizia vengono convertite in CNO in pochi secondi attraverso la pirolisi a microonde.
Ma come è possibile convertire le squame di pesce in CNO così facilmente? Sebbene il motivo esatto non sia del tutto chiaro, il team ritiene che abbia a che fare con il collagene contenuto nelle squame di pesce, che può assorbire abbastanza radiazioni a microonde per produrre un rapido aumento della temperatura. Ciò porta alla decomposizione termica o "pirolisi", che produce determinati gas che supportano l'assemblaggio dei CNO. Ciò che è straordinario in questo approccio è che non ha bisogno di catalizzatori complessi, né di condizioni difficili, né di tempi di attesa prolungati; le squame di pesce possono essere convertite in CNO in meno di 10 secondi!
(Sinistra) Schema raffigurante la sintesi di nano-cipolle di carbonio tramite la pirolisi a microonde di squame di pesce. Il riquadro superiore mostra l'aumento della temperatura delle squame di pesce dovuto all'assorbimento delle microonde in un periodo di 10 secondi, nonché un meccanismo di formazione proposto per le nano-cipolle di carbonio. (Destra) immagini di microscopia elettronica a trasmissione che mostrano la morfologia delle nano-cipolle di carbonio sintetizzate e fotografie della dispersione di CNO in etanolo, una pellicola flessibile emissiva e un LED contenente CNO. Credito:Takashi Shirai di NITech, Giappone
Inoltre, questo processo di sintesi produce CNO con cristallinità molto elevata. Ciò è notevolmente difficile da ottenere nei processi che utilizzano i rifiuti di biomassa come materiale di partenza. Inoltre, durante la sintesi, la superficie dei CNO è selettivamente e completamente funzionalizzata con i gruppi (-COOH) e (-OH). Ciò è in netto contrasto con la superficie dei CNO preparati con metodi convenzionali, che è tipicamente spoglia e deve essere funzionalizzata attraverso passaggi aggiuntivi.
Questa funzionalizzazione "automatica" ha importanti implicazioni per le applicazioni dei CNO. Quando la superficie CNO non è funzionalizzata, le nanostrutture tendono ad attaccarsi a causa di un'interazione interessante nota come impilamento pi-pi. Ciò rende difficile disperderli nei solventi, cosa necessaria in qualsiasi applicazione che richieda processi a base di soluzioni. Tuttavia, poiché il processo di sintesi proposto produce CNO funzionalizzati, consente un'eccellente disperdibilità in vari solventi.
Ancora un altro vantaggio associato alla funzionalizzazione e all'elevata cristallinità, è quello di eccezionali proprietà ottiche. Il dottor Shirai spiega che "i CNO mostrano un'emissione di luce visibile ultra brillante con un'efficienza (o resa quantica) del 40%. Questo valore, che non è mai stato raggiunto prima, è circa 10 volte superiore a quello dei CNO sintetizzati in precedenza riportati con metodi convenzionali."
Per mostrare alcune delle numerose applicazioni pratiche dei loro CNO, il team ha dimostrato il loro utilizzo nei LED e nei film sottili che emettono luce blu. I CNO hanno prodotto un'emissione altamente stabile, sia all'interno di dispositivi solidi sia quando dispersi in vari solventi, tra cui acqua, etanolo e isopropanolo. "Le proprietà ottiche stabili potrebbero consentirci di fabbricare film flessibili emissivi di ampia area e dispositivi LED", ipotizza il dott. Shirai. "Questi risultati apriranno nuove strade per lo sviluppo di display di prossima generazione e illuminazione a stato solido."
Inoltre, la tecnica di sintesi proposta è rispettosa dell'ambiente e fornisce un modo semplice per convertire i rifiuti di pesce in materiali infinitamente più utili. Il team ritiene che il loro lavoro contribuirebbe al raggiungimento di molti degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite. Inoltre, se i CNO si fanno strada nell'illuminazione a LED e nei display QLED di prossima generazione, potrebbero aiutare notevolmente a ridurre i costi di produzione. + Esplora ulteriormente
