В Японии группа исследователей из Нагойского технологического института (NITech) открыла простой и быстрый способ превращения массовых рыбных отходов – чешуи – в высококачественные углеродные нанолуковицы (CNO). Об этом сообщает портал SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Наноматериалы на основе углерода все чаще используются в электронике, преобразовании и хранении энергии, катализе и биомедицине из-за их низкой токсичности, химической стабильности и исключительных электрических и оптических свойств. CNO, впервые выявленные в 1980 году, представляют собой наноструктуры, состоящие из концентрических оболочек фуллеренов и напоминают последовательно уменьшающиеся тонкослойные сферы внутри своеобразной «матрешки». Они обладают многими ценными свойствами, включая большую площадь поверхности и высокую электрическую и тепловую проводимость.
Традиционные способы получения CNO имеют существенные недостатки. Некоторые требуют жестких условий синтеза, включая высокие температуры или вакуум, в то время как другие требуют много времени и энергии. Хотя некоторые методы могут выходить за эти ограничения, они при этом требуют сложных катализаторов, дорогих источников углерода или потенциально опасных кислотных или щелочных условий. Это сильно ограничивает потенциал широкого применения CNO.
Группа исследователей NITech смогла найти новый, простой и быстрый по времени способ превращения рыбных отходов в чрезвычайно высококачественные CNO. Доцент Такаши Шираи, магистрант Кай Одати и доцент Юнзи Синь разработали техпроцесс, при котором рыбья чешуя, попадающая сейчас в отходы после очистки рыбы, превращается в CNO путем микроволнового пиролиза.
Точные механизмы такого превращения пока не установлены, но ученые считают, что причина связана 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 сборку CNO.
Что примечательно в этом подходе, так это то, что он не требует сложных катализаторов, суровых условий или длительного времени ожидания: рыбья чешуя может быть преобразована в CNO менее чем за 10 секунд.
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. Во время синтеза поверхность CNO избирательно и тщательно функционализируется группами (-COOH) и (-OH), что резко контрастирует с поверхностью CNO, приготовленной традиционными методами, которая должна быть затем функционализирована с помощью дополнительных этапов обработки.
Таая «автоматическая» функционализация имеет важные последствия для последующего применения CNO. Без этой операции наноструктуры имеют тенденцию слипаться из-за взаимодействующего притяжения. Это затрудняет их диспергирование в растворителях, что необходимо для любого применения, требующего процессов на основе растворов. Новый процесс синтеза дает функционализированные CNO, и тем самым обеспечивает их отличную диспергируемость в различных растворителях.
Еще одним преимуществом, связанным с функционализацией и высокой степенью кристалличности, являются исключительные оптические свойства полученног наноматериала. Доктор Шираи отметил: «Наше CNO демонстрируют сверхяркое излучение видимого света с эффективностью (или квантовым выходом) 40%. Это значение, которое никогда раньше не достигалось, примерно в 10 раз выше, чем у ранее зарегистрированных CNO, синтезированных традиционными методами».
Чтобы наглядно показать некоторые из многих практических применений своих CNO, исследователи NITech продемонстрировала их использование 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.
«Стабильные оптические свойства могут позволить нам изготавливать излучающие гибкие пленки большой площади и светодиодные устройства, что открывает новые возможности для разработки дисплеев следующего поколения и твердотельного освещения», – полагает доктор Шираи.
Немаловажно, что предлагаемый новый метод синтеза CNO является экологически чистым и обеспечивает простой способ преобразования рыбных отходов в намного более полезные материалы.