Científicos japoneses, en su busca de un método estable para fabricar puntos cuánticos de forma sostenible y responsable medioambientalmente, han desarrollado una nueva forma de reciclar cáscaras de arroz para crear la primera luz LED de puntos cuánticos de silicio. Su nuevo método transforma los residuos agrícolas en diodos emisores de luz de última generación de una manera de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente.

La molienda de arroz crea miles de millones de kilogramos de cáscaras de arroz al año, las cuales son una excelente fuente de silicio de alta calidad (SiO2) y de polvos de silicio (Si) de valor añadido. Asimismo, la fabricación de puntos cuánticos, para uso en aplicaciones de iluminación y fotónica, implica el uso de materiales tóxicos, como el cadmio, plomo u otros materiales pesados. 

Inspirados por estas realidades, científicos de la Universidad de Hiroshima han logrado desarrollar un nuevo método escalable para la fabricación de puntos cuánticos con un impacto ambiental positivo. 

Los investigadores sintetizaron puntos cuánticos a partir de cáscaras de arroz que contienen un 20 % en peso de SiO2 utilizando un método de síntesis química convencional e investigaron las propiedades estructurales, ópticas y opto eléctricas. El producto final, exhibe fotoluminiscencia naranja-roja a una longitud de onda de 680 nm, con un rendimiento cuántico del 21 %.

“Se trata de la primera investigación que desarrolla un LED a partir de cáscaras de arroz de desecho. La calidad no tóxica del silicio los convierte en una alternativa atractiva a los actuales puntos cuánticos semiconductores disponibles en la actualidad. Así, este método se convierte en una forma noble para el desarrollo de LEDs de puntos cuánticos respetuosos con el medio ambiente a partir de productos naturales”, afirma Ken-ichi Saitow, autor principal del estudio y profesor de química de la Universidad de Hiroshima.

Cáscaras de arroz para el desarrollo puntos cuánticos

Desde que se descubrió el silicio poroso (Si) en la década de 1950, los científicos han explorado sus usos en aplicaciones de baterías de iones de litio, materiales luminiscentes, sensores biomédicos y sistemas de administración de fármacos. El Si, que no es tóxico y se encuentra en abundancia en la naturaleza, tiene propiedades de fotoluminiscencia, derivadas de sus estructuras de puntos microscópicos (de tamaño cuántico) que sirven de semiconductores.

Conscientes de las preocupaciones medioambientales que rodean a los actuales puntos cuánticos, los investigadores se propusieron encontrar un nuevo método de fabricación de puntos cuánticos que tuviera un impacto medioambiental positivo, aprovechando que los residuos de cáscara de arroz son una excelente fuente de silicio. 

El equipo utilizó una combinación de molienda, tratamientos térmicos y grabado químico para procesar el silicio de la cáscara de arroz, consiguiendo unos rendimientos de extracción de polvos de SiO2 y Si de cáscaras de arroz del 100 % y el 86 %, respectivamente

En primer lugar, molieron la cáscara de arroz y extrajeron polvos de silicio (SiO2) quemando los compuestos orgánicos de la cáscara de arroz molida. En segundo lugar, calentaron el polvo de silicio resultante en un horno eléctrico para obtener polvos de Si mediante una reacción de reducción. En tercer lugar, el producto era un polvo de Si purificado que se redujo aún más a un tamaño de 3 nanómetros mediante grabado químico. Por último, su superficie se funcionalizó químicamente para conseguir una alta estabilidad química y una alta dispersividad en el disolvente, con partículas cristalinas de 3 nm para producir los puntos cuánticos de Silicio (SiQDs) que presentan una luminiscencia en el rango naranja-rojo con una alta eficiencia de luminiscencia de más del 20%.

Los LED se montaron como una serie de capas de material. Un sustrato de vidrio de óxido de indio y estaño (ITO) fue el ánodo del LED; es un buen conductor de la electricidad y suficientemente transparente para la emisión de luz. Sobre el vidrio ITO se aplicaron capas adicionales, incluida la capa de SiQDs. El material se cubrió con un cátodo de película de aluminio.

El método de síntesis química desarrollado por el equipo les ha permitido evaluar las propiedades ópticas y optoeléctricas del diodo emisor de luz SiQD, incluyendo las estructuras, los rendimientos de síntesis y las propiedades de los polvos de SiO2 y Si y de los SiQD.

“Al sintetizar SiQDs de alto rendimiento a partir de cáscaras de arroz y dispersarlas en disolventes orgánicos, es posible que un día estos procesos puedan aplicarse a gran escala, como otros procesos químicos de alto rendimiento”, explica Saitow.

Los próximos pasos del equipo incluyen el desarrollo de una luminiscencia de mayor eficacia en los SiQD y los LED. También explorarán la posibilidad de producir LEDs de SiQD distintos del color naranja-rojo que acaban de crear. 

De cara al futuro, los científicos sugieren que el método que han desarrollado podría aplicarse a otras plantas, como el bambú de la caña de azúcar, el trigo, la cebada o las hierbas, que contienen SiO2. Estos productos naturales y sus residuos podrían tener el potencial de ser transformados en dispositivos optoelectrónicos no tóxicos. 

Imagen de portada: Reproducido de ACS Sustainable Chem. Ing. 2022, 10, 1765-1776. Derechos de autor ACS