Biến đổi vảy cá thành vật liệu nano carbon chất lượng cao

CNO là một loại vật liệu nano dựa trên cacbon được sử dụng rộng rãi trong xúc tác, chuyển đổi và lưu trữ năng lượng, y sinh và điện tử nhờ độc tính thấp và tính ổn định hóa học của chúng. Sau khi chúng được xác định lần đầu tiên vào năm 1980, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng các cấu trúc nano bao gồm các lớp vỏ đồng tâm của các fulleren, giống như những chiếc lồng bên trong lồng. Điều này mang lại cho CNO một diện tích bề mặt cao và độ dẫn điện và nhiệt lớn - làm cho chúng rất hữu ích trong nhiều ngành công nghiệp. 

Thật không may, các phương pháp thông thường để sản xuất CNO có những nhược điểm nghiêm trọng. Một số yêu cầu các điều kiện tổng hợp khắc nghiệt, như nhiệt độ cao hoặc chân không, trong khi một số khác thì tốn nhiều thời gian và năng lượng. Một số kỹ thuật có thể phá vỡ những hạn chế này, nhưng thay vào đó yêu cầu các chất xúc tác phức tạp, các nguồn carbon đắt tiền, hoặc các điều kiện axit hoặc bazơ nguy hiểm. Điều này làm hạn chế rất nhiều tiềm năng của CNOs. 

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Green Chemistry, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Nagoya, Nhật Bản đã tìm ra một cách đơn giản và tiện lợi để biến chất thải của cá thành CNO chất lượng cao. Họ đã phát triển một lộ trình tổng hợp trong đó vảy cá chiết xuất từ ​​chất thải cá sau khi làm sạch được chuyển đổi thành CNOs chỉ trong vài giây thông qua nhiệt phân vi sóng.

Vảy cá chiết xuất từ ​​chất thải cá sau khi làm sạch được chuyển đổi thành CNOs. Ảnh: Tép Bạc

Các nhà nghiên cứu không thể xác định chính xác lý do tại sao vảy cá có thể dễ dàng chuyển đổi thành CNO, nhưng họ tin rằng nó có liên quan đến collagen trong vảy cá. Collagen có thể hấp thụ đủ bức xạ vi sóng để tạo ra nhiệt độ tăng nhanh. Điều này dẫn đến phân hủy nhiệt hoặc “nhiệt phân”, tạo ra một số loại khí hỗ trợ quá trình lắp ráp CNO. Điều đáng chú ý của phương pháp này là nó không cần chất xúc tác phức tạp, điều kiện khắc nghiệt hoặc thời gian chờ đợi kéo dài; vảy cá có thể được chuyển đổi thành CNO trong vòng chưa đầy 10 giây. 

Hơn nữa, quá trình tổng hợp này tạo ra các CNO với độ kết tinh rất cao. Điều này rất khó đạt được trong các quy trình sử dụng chất thải sinh khối làm nguyên liệu ban đầu. Ngoài ra, trong quá trình tổng hợp, bề mặt của CNO được chức năng hóa một cách chọn lọc và triệt để với các nhóm (−COOH) và (−OH). Điều này hoàn toàn trái ngược với bề mặt của CNO được chuẩn bị bằng các phương pháp thông thường, thường để trần và phải được hoạt động hóa thông qua các bước bổ sung. 

Chức năng “tự động” này có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng của CNO. Khi bề mặt CNO không hoạt động, các cấu trúc nano có xu hướng dính vào nhau do tương tác hấp dẫn được gọi là sự xếp chồng pi-pi. Điều này gây khó khăn cho việc phân tán chúng trong dung môi, điều này cần thiết trong bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu các quy trình dựa trên dung dịch. Tuy nhiên, vì quy trình tổng hợp mới tạo ra CNO có chức năng, nó cho phép tạo ra khả năng phân tán tuyệt vời trong các dung môi khác nhau. 

Quy trình tổng hợp CNO. Ảnh: thefishsite.com

Tuy nhiên, một lợi thế khác liên quan đến chức năng hóa và độ kết tinh cao là các đặc tính quang học đặc biệt. Tiến sĩ Shirai giải thích: “Các CNO thể hiện sự phát xạ ánh sáng nhìn thấy cực sáng với hiệu suất (hay năng suất lượng tử) là 40%. Giá trị này, chưa từng đạt được trước đây, cao hơn khoảng 10 lần so với các CNO được báo cáo trước đây được tổng hợp thông qua các phương pháp thông thường ”. 

Để giới thiệu một số ứng dụng thực tế của CNO, nhóm nghiên cứu đã trình diễn việc sử dụng chúng trong đèn LED và màng mỏng phát sáng xanh. Các CNO tạo ra một phát xạ ổn định cao, cả bên trong các thiết bị rắn và khi phân tán trong các dung môi khác nhau, bao gồm nước, etanol và isopropanol. Tiến sĩ Shirai suy đoán: “Các đặc tính quang học ổn định có thể cho phép chúng tôi chế tạo màng linh hoạt phát xạ diện tích lớn và các thiết bị LED. “Những phát hiện này sẽ mở ra con đường mới cho sự phát triển của màn hình thế hệ tiếp theo và hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn”. 

Hơn nữa, kỹ thuật tổng hợp được đề xuất thân thiện với môi trường và cung cấp một cách đơn giản để chuyển đổi chất thải của cá thành các vật liệu hữu ích hơn vô hạn. Nhóm tin tưởng rằng công việc của họ sẽ đóng góp vào việc thực hiện một số Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên hợp quốc. Ngoài ra, nếu CNO tiến vào hệ thống chiếu sáng LED và màn hình QLED thế hệ tiếp theo, họ có thể giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất.