Gracias a su baja toxicidad, estabilidad química y notables propiedades eléctricas y ópticas, los nanomateriales a base de carbono encuentran cada vez más aplicaciones en electrónica, conversión y almacenamiento de energía, catálisis y biomedicina. Las nanocebollas de carbono (CNO) ciertamente no son una excepción.
Reportados por primera vez en 1980, los CNO son nanoestructuras compuestas de capas concéntricas de fullerenos, que se asemejan a jaulas dentro de jaulas. Ofrecen múltiples cualidades atractivas como una alta área superficial y grandes conductividades eléctricas y térmicas.
Desafortunadamente, los métodos convencionales para producir CNO tienen algunos inconvenientes serios. Algunas requieren condiciones de síntesis duras, como altas temperaturas o vacío, mientras que otras demandan mucho tiempo y energía.
Algunas técnicas pueden eludir estas limitaciones, pero en su lugar requieren catalizadores complejos, fuentes de carbono costosas o condiciones ácidas o básicas peligrosas. Esto limita en gran medida el potencial de los CNO.
Afortunadamente, no toda la esperanza está perdida.
En un estudio publicado en Green Chemistry, un equipo de científicos del Nagoya Institute of Technology en Japón encontró una manera simple y conveniente de convertir los desechos de pescado (escamas) en CNO de muy alta calidad.
El equipo, que incluía al profesor asistente Yunzi Xin, al estudiante de maestría Kai Odachi y al profesor asociado Takashi Shirai, desarrolló una ruta de síntesis en la que las escamas de pescado extraídas de los desechos de pescado, se convierten en CNO en cuestión de segundos a través de la pirólisis por microondas.
Pero, ¿Cómo se pueden convertir las escamas de pescado en CNO tan fácilmente?
Si bien la razón exacta no está del todo clara, el equipo cree que tiene que ver con el colágeno contenido en las escamas de los peces, que pueden absorber suficiente radiación del 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 enfoque es que no necesita catalizadores complejos, ni condiciones duras, ni tiempos de espera prolongados.
¡Las escamas de pescado se pueden convertir en CNO en menos de 10 segundos!
Además, este proceso de síntesis produce CNO con una cristalinidad muy alta. Esto es notablemente difícil de lograr en procesos que utilizan residuos de biomasa como material de partida.
Además, durante la síntesis, la superficie de los CNO se funcionaliza selectiva y completamente con grupos (-COOH) y (-OH). Esto contrasta marcadamente con la superficie de los CNO preparados con métodos convencionales, que normalmente está desnuda y debe funcionalizarse mediante pasos adicionales.
Esta funcionalización “automática” tiene implicaciones importantes para las aplicaciones de CNO.
Cuando la superficie de CNO no está funcionalizada, las nanoestructuras tienden a unirse debido a una interacción atractiva conocida como apilamiento pi-pi. Esto dificulta su dispersión en solventes, lo cual es necesario en cualquier aplicación que requiera procesos basados en soluciones.
Sin embargo, dado que el proceso de síntesis propuesto produce CNO funcionalizados, permite una excelente dispersabilidad en varios solventes.
Otra ventaja más asociada con la funcionalización y la alta cristalinidad es la de las propiedades ópticas excepcionales.
El Dr. Shirai explica: “Los CNO exhiben una emisión de luz visible ultrabrillante con una eficiencia (o rendimiento cuántico) del 40%. Este valor, que nunca antes se había logrado, es aproximadamente 10 veces mayor que el de los CNO sintetizados vía métodos convencionales”.
Para mostrar algunas de las muchas aplicaciones prácticas de sus CNO, el equipo demostró su uso en LED y películas delgadas que emiten luz azul.
Los CNO produjeron una emisión altamente estable, tanto dentro de dispositivos sólidos como cuando se dispersaron en varios solventes, incluidos agua, etanol e isopropanol.
“Las propiedades ópticas estables podrían permitirnos fabricar dispositivos LED y películas flexibles emisivas de gran área”, especula el Dr. Shirai. “Estos hallazgos abrirán nuevas vías para el desarrollo de pantallas de próxima generación e iluminación de estado sólido”.
Además, la técnica de síntesis propuesta es respetuosa con el medio ambiente y proporciona una forma sencilla de convertir los desechos de pescado en materiales infinitamente más útiles.
El equipo de investigadores cree que su trabajo contribuiría al cumplimiento de varios de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU. Además, si los CNO se abren camino hacia la iluminación LED de próxima generación y las pantallas QLED, podrían ayudar en gran medida a reducir sus costos de fabricación.
¡Esperamos que los esfuerzos de estos científicos inclinen la balanza a favor de los CNO para aplicaciones más prácticas!
Associate Professor Takashi Shirai
Shirai Group Energy Materials Lab.
Yunzi Xin, Kai Odachi, Takashi Shirai. Fabrication of ultra-bright carbon nano-onions via a one-step microwave pyrolysis of fish scale waste in seconds. Green Chemistry, 2022; 24 (10): 3969 DOI: 10.1039/d1gc04785j