Reciclar, aprovechar los residuos es una necesidad imperiosa. De ahí que los científicos busquen cómo aprovecharlos al máximo. Esta fue la idea que llevó a varios expertos a investigar qué se podría hacer con los alrededor de 100 millones de toneladas de desechos de cáscara de arroz que se generan cada año en el mundo al separar el grano. Un equipo de investigadores japoneses ha desarrollado una forma de reciclar cáscarillas de arroz para crear la primera luz LED de punto cuántico (QD) de silicio. Un hallazgo que ha cosechado el aplauso unánime de la comunidad científica.
Este novedoso método transforma los desechos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de una manera económica y respetuosa con el medio ambiente, según ha revelado el equipo investigador, perteneciente al Centro de Ciencias Naturales para la Investigación y el Desarrollo Básicos de la Universidad de Hiroshima en la revista ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ de la Sociedad Química Estadounidense.
“La toxicidad de los nanomateriales y las preocupaciones ambientales nos inspiraron a desarrollar un método escalable para fabricar puntos cuánticos con un impacto ambiental positivo”, señalan en su informe los investigadores. Los restos de la molienda de arroz son “una excelente fuente de sílice (dióxido de silicio, SiO2) de alta calidad y polvos de silicio (Si) de valor agregado”. El 20% del peso de estos desechos es dióxido de silicio, resaltan.
Los autores del estudio explican que sintetizaron dióxido de silicio, silicio poroso y puntos cuánticos de silicio a partir de cáscaras de arroz, utilizando un método de síntesis química convencional e investigaron la estructura, las propiedades ópticas y optoeléctricas. Los rendimientos de extracción de SiO2 y los polvos de sílice de la cáscarilla de arroz son 100 y 86%, respectivamente. El producto final da como resultado una electroluminiscencia naranja-roja.
Preocupaciones ambientales
“Dado que los puntos cuánticos típicos a menudo involucran material tóxico, como cadmio, plomo u otros metales pesados, las preocupaciones ambientales se han discutido con frecuencia cuando se usan nanomateriales. Nuestro proceso y método de fabricación propuestos para los QD minimizan estas preocupaciones”, explicó Ken-ichi Saitow, líder autor del estudio y profesor de química en la Universidad de Hiroshima.
Desde que se descubrió el silicio poroso en la década de los cincuenta del siglo pasado, los científicos han explorado sus usos en aplicaciones en baterías de iones de litio, materiales luminiscentes, sensores biomédicos y sistemas de administración de fármacos. El silicio, no tóxico y abundante en la naturaleza, 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 QD actuales por la toxicidad de los nanomateriales que se utilizan y su impacto en el medio, los investigadores se propusieron encontrar un nuevo método para fabricar puntos cuánticos que tuviera un impacto ambiental positivo. Hallaron la solución en las cáscaras del arroz.
Los investigadores utilizaron una combinación de molienda, tratamientos térmicos y grabado químico para procesar el sílice de la cáscara de arroz. Primero, molieron las cáscarillas y extrajeron polvos de sílice quemando los compuestos orgánicos de las cáscaras molidas.
En segundo lugar, calentaron el polvo de sílice resultante en un horno eléctrico para obtener polvos de sílice mediante una reacción de reducción. En tercer lugar, el producto era un polvo de sílice purificado que se redujo aún más a un tamaño de tresnanómetros mediante grabado químico.
A continuación, la superficie del polvo se trató químicamente y, finalmente, se produjeron los puntos cuánticos de sílice, luminiscentes en el rango naranja-rojo con una alta eficiencia de luminiscencia de más del 20%.
Una “alternativa atractiva”
“Esta es la primera investigación para desarrollar un LED a partir de cáscaras de arroz de desecho”, indicó Saitow. Agregó que el hecho de que el silicio no sea tóxico lo convierte en una “alternativa atractiva” a los puntos cuánticos semiconductores actuales disponibles en la actualidad, pues se desarrollan LED de QD “respetuosos con el medio ambiente a partir de productos naturales”, indicó.
“Al sintetizar puntos cuánticos de sílice de alto rendimiento a partir de cáscarillas 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”, aventuró Saitow.
El equipo investigador ya ha anunciado sus próximos pasos, que incluyen el desarrollo de una luminiscencia de mayor eficiencia en los puntos cuánticos de sílice y los LED. También explorarán la posibilidad de producir LED de puntos cuánticos de sílice distintos del color rojo anaranjado que acaban de crear.
Con vistas al futuro, los científicos creen 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 dióxido de sílice. Estos productos naturales y sus desechos también podrían tener el potencial de ser transformados en dispositivos optoelectrónicos no tóxicos.
Los científicos señalaron que les gustaría ver la comercialización de su enfoque ecológico para crear dispositivos luminiscentes a partir de desechos de cáscara de arroz.
Informe de referencia: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c04985
