Convertir los residuos de pescado en un nanomaterial de calidad a base de carbono

Los científicos desarrollan un método de síntesis sencillo, rápido y energéticamente eficiente para producir excepcionales nano-iones de carbono a partir de escamas de pescado

03.08.2022 - Japón

Gracias a su baja toxicidad, estabilidad química y notables propiedades eléctricas y ópticas, los nanomateriales basados en el carbono encuentran cada vez más aplicaciones en la electrónica, la conversión y el almacenamiento de energía, la catálisis y la biomedicina. Los nano-iones de carbono (CNO) no son una excepción. Los CNO, de los que se informó por primera vez en 1980, son nanoestructuras compuestas por cáscaras concéntricas de fullerenos, que se asemejan a jaulas dentro de jaulas. Ofrecen múltiples cualidades atractivas, como una elevada superficie y grandes conductividades eléctricas y térmicas.

Desgraciadamente, los métodos convencionales de producción de CNO presentan algunos inconvenientes importantes. Algunos requieren condiciones de síntesis duras, como altas temperaturas o el vacío, mientras que otros exigen mucho tiempo y energía. Algunas técnicas pueden eludir estas limitaciones, pero en cambio requieren catalizadores complejos, fuentes de carbono caras o condiciones ácidas o básicas peligrosas. Esto limita enormemente el potencial de las CNO.

Afortunadamente, no se han perdido todas las esperanzas. En un estudio reciente publicado en Green Chemistry (disponible en línea el 25 de abril de 2022 y publicado en el número 10 el 21 de mayo de 2022), un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Nagoya, en Japón, encontró una forma sencilla y conveniente de convertir los residuos de pescado en CNO de altísima calidad. El equipo, formado por el profesor adjunto Yunzi Xin, el estudiante de máster Kai Odachi y el profesor asociado Takashi Shirai, desarrolló una ruta de síntesis en la que las escamas de pescado extraídas de los desechos de pescado tras su limpieza se convierten en CNO en apenas unos segundos mediante pirólisis por microondas.

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Pero, ¿cómo es posible que las escamas de pescado se conviertan en CNO con tanta facilidad? Aunque la razón exacta no está del todo clara, el equipo cree que tiene que ver con el colágeno que contienen las escamas de pescado, que puede absorber suficiente radiación de microondas para producir un rápido aumento de la temperatura. Esto conduce a la descomposición térmica o "pirólisis", que produce ciertos gases que favorecen el ensamblaje de los CNO. Lo notable de este método es que no necesita catalizadores complejos, ni condiciones duras, ni tiempos de espera prolongados; ¡las escamas de pescado pueden convertirse en CNOs en menos de 10 segundos!

Además, con este proceso de síntesis se obtienen CNOs de muy alta cristalinidad. Esto es notablemente difícil de conseguir en los procesos que utilizan residuos de biomasa como material de partida. Además, durante la síntesis, la superficie de los CNOs se funcionaliza selectivamente y a fondo con grupos (-COOH) y (-OH). Esto contrasta con la superficie de los CNOs preparados con métodos convencionales, que suele estar desnuda y tiene que ser funcionalizada mediante pasos adicionales.

Esta funcionalización "automática" tiene importantes implicaciones para las aplicaciones de los CNO. Cuando la superficie del CNO no está funcionalizada, las nanoestructuras tienden a pegarse entre sí debido a una interacción atractiva conocida como apilamiento pi-pi. Esto dificulta su dispersión en disolventes, algo necesario en cualquier aplicación que requiera procesos basados en soluciones. Sin embargo, como el proceso de síntesis propuesto produce CNOs funcionalizados, permite una excelente dispersabilidad en varios disolventes.

Otra ventaja asociada a la funcionalización y a la alta cristalinidad, es la de unas propiedades ópticas excepcionales. El Dr. Shirai explica: "LosCNOs presentan una emisión de luz visible ultrabrillante con una eficiencia (o rendimiento cuántico) del 40%. Este valor, que nunca se había alcanzado antes, es unas 10 veces superior al de los CNOs sintetizados por métodos convencionales de los que se ha informado anteriormente."

Para mostrar algunas de las muchas aplicaciones prácticas de sus CNOs, el equipo demostró su uso en LEDs y películas delgadas emisoras de luz azul. Los CNOs produjeron una emisión altamente estable, tanto dentro de dispositivos sólidos como cuando se dispersaron en varios disolventes, incluyendo agua, etanol e isopropanol. "Las propiedades ópticas estables podrían permitirnos fabricar películas flexibles emisoras de gran superficie y dispositivos LED", especula el Dr. Shirai. "Estos hallazgos abrirán nuevas vías para el desarrollo de pantallas de próxima generación y de iluminación de estado sólido"."

Además, la técnica de síntesis propuesta es respetuosa con el medio ambiente y proporciona una forma sencilla de convertir los residuos de pescado en materiales infinitamente más útiles. El equipo cree que su trabajo contribuiría al cumplimiento de varios de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Además, si los CNO se incorporan a la iluminación LED de próxima generación y a las pantallas QLED, podrían ayudar a reducir en gran medida sus costes de fabricación.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.