12 آوریل 2022 -توسط دانشگاه هیروشیما-دانشمندان دانشگاه هیروشیما اولین چراغ LED جهان را با استفاده از پوسته برنج و محصولات شیمیایی به دست آوردند. اعتبار: ACS Sustainable Chem.
آسیاب کردن برنج برای جدا کردن دانه از پوسته، سالانه حدود 100 میلیون تن ضایعات پوسته برنج در سراسر جهان تولید می کند. دانشمندانی که در جستجوی روشی مقیاس‌پذیر برای ساخت نقاط کوانتومی هستند، راهی برای بازیافت پوسته برنج برای ایجاد اولین نور LED سیلیکونی نقطه کوانتومی (QD) ایجاد کرده‌اند. روش جدید آنها زباله های کشاورزی را به روشی کم هزینه و سازگار با محیط زیست به دیودهای ساطع کننده نور پیشرفته تبدیل می کند.
تیم تحقیقاتی مرکز علوم طبیعی برای تحقیقات و توسعه پایه، دانشگاه هیروشیما، یافته های خود را در 28 ژانویه 2022 در مجله انجمن شیمی آمریکا ACS Sustainable Chemistry & Engineering منتشر کردند.
Ken-ichi Saitow، نویسنده مطالعه و استاد شیمی در دانشگاه هیروشیما گفت: “از آنجایی که QD های معمولی اغلب حاوی مواد سمی مانند کادمیوم، سرب یا سایر فلزات سنگین هستند، نگرانی های زیست محیطی اغلب در هنگام استفاده از نانومواد مورد بررسی قرار گرفته است. فرآیند پیشنهادی و روش ساخت ما برای QD ها این نگرانی ها را به حداقل می رساند.”
از آنجایی که سیلیکون متخلخل (Si) در دهه 1950 کشف شد، دانشمندان کاربردهای آن را در کاربردهای باتری‌های لیتیوم یونی، مواد شب تاب، حسگرهای زیست پزشکی و سیستم‌های تحویل دارو بررسی کردند. غیر سمی و به وفور در طبیعت یافت می شود، Si دارای خواص نورتابی است که از ساختارهای نقطه ای میکروسکوپی (به اندازه کوانتومی) آن ناشی می شود که به عنوان نیمه هادی عمل می کنند.
محققان با آگاهی از نگرانی‌های زیست‌محیطی پیرامون نقاط کوانتومی کنونی، به دنبال یافتن روش جدیدی برای ساختن نقاط کوانتومی هستند که تأثیرات زیست‌محیطی مثبتی دارد. به نظر می رسد ضایعات پوسته برنج منبع عالی سیلیس با خلوص بالا (SiO2) و پودر Si با ارزش افزوده است.
این تیم از ترکیبی از آسیاب، عملیات حرارتی و اچ شیمیایی برای پردازش سیلیس پوسته برنج استفاده کردند: ابتدا پوسته برنج را آسیاب کردند و پودرهای سیلیس (SiO2) را با سوزاندن ترکیبات آلی پوسته برنج آسیاب شده استخراج کردند. دوم، آنها پودر سیلیس حاصل را در یک کوره الکتریکی حرارت دادند تا از طریق یک واکنش احیا، پودرهای Si را بدست آورند. ثالثاً، محصول یک پودر Si خالص شده بود که با اچ کردن شیمیایی به اندازه 3 نانومتر کاهش یافت. در نهایت، سطح آن از نظر شیمیایی برای پایداری شیمیایی بالا و پراکندگی بالا در حلال، با ذرات کریستالی 3 نانومتری برای تولید SiQD هایی که در محدوده نارنجی-قرمز با بازده لومینسانس بالای بیش از 20 درصد درخشندگی دارند، عامل دار شد.
Saitow گفت: «این اولین تحقیقی است که یک LED از پوسته‌های ضایعات برنج ایجاد می‌کند.» وی افزود که کیفیت غیر سمی سیلیکون آنها را جایگزین جذابی برای نقاط کوانتومی نیمه‌رسانای فعلی می‌کند.
او گفت: “روش حاضر به روشی اصیل برای توسعه LED های نقطه کوانتومی دوستدار محیط زیست از محصولات طبیعی تبدیل می شود.”
ال ای دی ها به صورت یک سری لایه های مواد مونتاژ شدند. زیرلایه شیشه ای ایندیم-قلع اکسید (ITO) آند LED بود. این یک رسانای خوب الکتریسیته است در حالی که به اندازه کافی برای انتشار نور شفاف است. لایه‌های اضافی روی شیشه ITO پوشش داده شدند، از جمله لایه SiQD. این ماده با یک کاتد فیلم آلومینیومی پوشیده شده بود.
روش سنتز شیمیایی که تیم توسعه داده است به آنها اجازه می دهد تا خواص نوری و اپتوالکتریکی دیود ساطع کننده نور SiQD، از جمله ساختارها، بازده سنتز، و خواص پودرهای SiO2 و Si و SiQD ها را ارزیابی کنند.
سایتو گفت: «با سنتز SiQD های پرمحصول از پوسته های غنی و پراکندگی آن ها در حلال های آلی، ممکن است روزی این فرآیندها مانند سایر فرآیندهای شیمیایی پربازده در مقیاس وسیع اجرا شوند.
گام‌های بعدی این تیم شامل توسعه لومینسانس با کارایی بالاتر در SiQD و LED است. آنها همچنین امکان تولید ال ای دی های SiQD را غیر از رنگ نارنجی-قرمز که به تازگی ایجاد کرده اند را بررسی خواهند کرد. با نگاهی به آینده، دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که روشی که آنها توسعه داده‌اند را می‌توان برای گیاهان دیگری مانند بامبو نیشکر، گندم، جو یا علف‌های حاوی SiO2 به کار برد. این محصولات طبیعی و ضایعات آنها ممکن است پتانسیل تبدیل شدن به دستگاه های الکترونیک نوری غیر سمی را داشته باشند. در نهایت، دانشمندان مایلند تجاری سازی این رویکرد سازگار با محیط زیست برای ایجاد لوم را ببینند.
