Lo studio “Fabrication of ultra-bright carbon nano-onions via a one-step microwave pyrolysis of fish scale waste in seconds”, pubblicato recentemente su Green Chemistry da Yunzi Xin, Kai Odachi e Takashi Shirai del Nagoya Institute of Technology è partito da una constatazione: «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. I Carbon nano-onions (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. Forniscono 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. Questo limita notevolmente il potenziale dei CNO».
Lo studio del team di scienziati giapponesi ha scoperto un modo semplice e conveniente per trasformare i rifiuti di pesce in CNO di altissima qualità e ha sviluppato un percorso di sintesi attraverso il quale «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? Al Nagoya Institute of Technology spiegano che «Sebbene il motivo esatto non sia del tutto chiaro, riteniamo 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. Questo 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! Inoltre, questo processo di sintesi produce CNO con cristallinità molto elevata. Questo 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».
Un altro vantaggio associato alla funzionalizzazione e all’elevata cristallinità, è quello di eccezionali proprietà ottiche e, a questo proposito, Shirai spiega che «I CNO mostrano un’emissione di luce visibile ultraluminosa 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 illustrare alcune delle numerose applicazioni pratiche dei CNO prodotti con le squame di pesce, il team giapponese ha dimostrato il loro utilizzo nei LED e nei film sottili che emettono luce blu e i CNO hanno prodotto un’emissione molto stabile, sia all’interno di dispositivi solidi sia quando dispersi in vari solventi, tra i quali acqua, etanolo e isopropanolo. Shirai ipotizza che «Le proprietà ottiche stabili potrebbero consentirci di fabbricare film flessibili emissivi ad ampia area e dispositivi LED. Questi risultati apriranno nuove strade per lo sviluppo di display di prossima generazione e illuminazione allo stato solido».
Al Nagoya Institute of Technology fanno notare che «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 di ricercatori conclude: «Il nostro lavoro contribuirà al raggiungimento di molti degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite. Inoltre, se i CNO si facessero strada nell’illuminazione a LED e nei display QLED di prossima generazione, potrebbero aiutare notevolmente a ridurre i costi di produzione».
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