Grâce à leur faible toxicité, leur stabilité chimique et leurs propriétés électriques et optiques remarquables, les nanomatériaux à base de carbone trouvent de plus en plus d'applications dans l'électronique, la conversion et le stockage d'énergie, la catalyse et la biomédecine. Les nano-oignons de carbone (CNO) ne font certainement pas exception. Signalés pour la première fois en 1980, les CNO sont des nanostructures composées de coques concentriques de fullerènes, ressemblant à des cages dans des cages. Ils offrent de multiples qualités attractives telles qu'une grande surface et de grandes conductivités électriques et thermiques.

Malheureusement, les méthodes conventionnelles de production de CNO présentent de sérieux inconvénients. Certains nécessitent des conditions de synthèse difficiles, telles que des températures élevées ou le vide, tandis que d'autres demandent beaucoup de temps et d'énergie. Certaines techniques peuvent contourner ces limitations, mais nécessitent plutôt des catalyseurs complexes, des sources de carbone coûteuses ou des conditions acides ou basiques dangereuses. Cela limite considérablement le potentiel des CNO.

Heureusement, tout espoir n'est pas perdu. Dans une étude récente publiée dans Green Chemistry , une équipe de scientifiques de l'Institut de technologie de Nagoya au Japon a trouvé un moyen simple et pratique de transformer les déchets de poisson en CNO de très haute qualité. L'équipe, qui comprenait le professeur adjoint Yunzi Xin, l'étudiant à la maîtrise Kai Odachi et le professeur associé Takashi Shirai, a développé une voie de synthèse dans laquelle les écailles de poisson extraites des déchets de poisson après nettoyage sont converties en CNO en quelques secondes par pyrolyse micro-ondes.

Mais comment les écailles de poisson peuvent-elles être converties si facilement en CNO ? Bien que la raison exacte ne soit pas tout à fait claire, l'équipe pense que cela a à voir avec le collagène contenu dans les écailles de poisson, qui peut absorber suffisamment de rayonnement micro-ondes pour produire une augmentation rapide de la température. Cela conduit à une décomposition thermique ou «pyrolyse», qui produit certains gaz qui favorisent l'assemblage des CNO. Ce qui est remarquable dans cette approche, c'est qu'elle n'a pas besoin de catalyseurs complexes, ni de conditions difficiles, ni de temps d'attente prolongés; les écailles de poisson peuvent être converties en CNO en moins de 10 secondes !

De plus, ce procédé de synthèse donne des CNO à très haute cristallinité. Ceci est remarquablement difficile à réaliser dans les procédés qui utilisent des déchets de biomasse comme matière première. De plus, lors de la synthèse, la surface des CNO est sélectivement et complètement fonctionnalisée avec des groupes (-COOH) et (-OH). Cela contraste fortement avec la surface des CNO préparés avec des méthodes conventionnelles, qui est généralement nue et doit être fonctionnalisée par des étapes supplémentaires.

Cette fonctionnalisation "automatique" a des implications importantes pour les applications des CNO. Lorsque la surface CNO n'est pas fonctionnalisée, les nanostructures ont tendance à s'agglutiner du fait d'une interaction attractive connue sous le nom d'empilement pi-pi. Cela rend difficile leur dispersion dans des solvants, ce qui est nécessaire dans toute application nécessitant des procédés en solution. Cependant, comme le procédé de synthèse proposé produit des CNO fonctionnalisés, il permet une excellente dispersibilité dans divers solvants.

Encore un autre avantage lié à la fonctionnalisation et à la haute cristallinité, est celui de propriétés optiques exceptionnelles. Le Dr Shirai explique que "les CNO présentent une émission de lumière visible ultra-brillante avec une efficacité (ou un rendement quantique) de 40 %. Cette valeur, qui n'a jamais été atteinte auparavant, est environ 10 fois supérieure à celle des CNO synthétisés précédemment rapportés. via des méthodes conventionnelles."

Pour présenter certaines des nombreuses applications pratiques de leurs CNO, l'équipe a démontré leur utilisation dans les LED et les couches minces émettant de la lumière bleue. Les CNO ont produit une émission très stable, à la fois à l'intérieur des dispositifs solides et lorsqu'ils sont dispersés dans divers solvants, notamment l'eau, l'éthanol et l'isopropanol. "Les propriétés optiques stables pourraient nous permettre de fabriquer des films flexibles émissifs de grande surface et des dispositifs LED", spécule le Dr Shirai. "Ces découvertes ouvriront de nouvelles voies pour le développement d'écrans et d'éclairage à semi-conducteurs de nouvelle génération."

De plus, la technique de synthèse proposée est respectueuse de l'environnement et offre un moyen simple de convertir les déchets de poisson en matériaux infiniment plus utiles. L'équipe est convaincue que son travail contribuerait à la réalisation de plusieurs objectifs de développement durable des Nations Unies. De plus, si les CNO se frayent un chemin dans l'éclairage LED de nouvelle génération et les écrans QLED, ils pourraient grandement contribuer à réduire leurs coûts de fabrication. + Explorer plus loin

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