Исследовательская группа из Нагойского технологического института (NITech) в Японии разработала технологию синтеза, способную преобразовать рыбью чешую из отходов рыбообработки в широко востребованный наноматериал на основе углерода. Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Благодаря своей низкой токсичности, химической стабильности и замечательным электрическим и оптическим свойствам наноматериалы на основе углерода находят все больше и больше применений в электронике, преобразовании и хранении энергии, катализе и биомедицине. Так называемые «углеродные нанолуковицы» (CNO) занимают в этом важное место.
Впервые полученные еще в 1980 году, CNO представляют собой наноструктуры, состоящие из концентрических оболочек фуллеренов, напоминающие «клетки внутри других клеток». Они обладают множеством привлекательных качеств, таких как большая площадь поверхности и высокая электрическая и теплопроводность.
К сожалению, традиционные методы получения CNO имеют ряд серьезных недостатков. Одни из них требуют жестких условий синтеза, таких как высокие температуры или вакуум, в то время как другие затрачивают много времени и энергии. Некоторые методы могут обойти эти ограничения, но требуют применения сложных катализаторов, дорогих источников углерода или опасных кислотных или щелочных условий. Это сильно ограничивает возможности широкого применения CNO.
В недавнем исследовании группа ученых NITech смогла найти простой и эффективный способ превратить рыбные отходы в чрезвычайно высококачественные CNO. Чешуя, составляющая сейчас значительную часть отходов рыбообработки, менее чем за 10 секунд преобразуется в CNO с помощью микроволнового пиролиза.
Исследователи полагают, что механизм подобного синтеза связан с коллагеном, содержащимся в рыбьей чешуе, который может поглощать достаточное количество микроволнового излучения для быстрого повышения температуры. Это приводит к термическому разложению (пиролизу), при котором образуются определенные газы, поддерживающие молекулярную «сборку» CNO.
Что примечательно в этом подходе, так это то, что он не требует ни сложных катализаторов, ни жестких условий, ни длительного времени ожидания. Кроме того, этот процесс синтеза дает CNO с очень высокой степенью кристалличности. Этого чрезвычайно трудно достичь в процессах, в которых в качестве исходного материала используются отходы биомассы.
Исследователями отмечено, что во время их синтез-процесса поверхность CNO избирательно и тщательно функционализируется группами (-COOH) и (-OH). Это резко контрастирует с «голой» поверхностью CNO, приготовленной традиционными методами, которая обычно требует этих операций с помощью дополнительных этапов.
Такая «автоматическая» функционализация имеет важные последствия для последующих применений CNO. Без этого наноструктуры имеют тенденцию слипаться из-за взаимодействия притяжения, что затрудняет их диспергирование в различных растворителях. Предлагаемый новый процесс синтеза CNO обеспечивает их превосходную растворяемость.
Еще одним преимуществом, связанным с функционализацией и высокой степенью кристалличности, являются исключительные оптические свойства полученного материала. Образцы CNO продемонстрировали сверхяркое излучение видимого света с эффективностью (квантовым выходом) 40%. «Это значение, которое никогда раньше не достигалось, оно примерно в 10 раз выше, чем регистрировалось у CNO, синтезированных традиционными методами», – отметил д-р Такаши Шираи, руководитель исследовательской группы NITech.
Чтобы продемонстрировать некоторые из многих практических применений своих CNO, специалисты NITech представили варианты их использования в светодиодах и тонких пленках, излучающих синий свет. CNO давали высокостабильную эмиссию как внутри твердых устройств, так и при диспергировании в различных растворителях, включая воду, этанол и изопропанол.
«Это открывает новые возможности для разработки дисплеев следующего поколения и твердотельного освещения», – подчеркнул д-р Шираи. По его мнению, если подобные CNO появятся в светодиодном освещении следующего поколения и QLED-дисплеях, это позволит существенно снизить производственные затраты.