Lumières LED développées à partir de balles de riz —
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La mouture du riz pour séparer le grain des balles produit environ 100 millions de tonnes de déchets de balles de riz dans le monde chaque année. Les scientifiques à la recherche d’une méthode évolutive pour fabriquer des points quantiques ont mis au point un moyen de recycler les balles de riz pour créer la première lumière LED à points quantiques (QD) en silicium. Leur nouvelle méthode transforme les déchets agricoles en diodes électroluminescentes de pointe de manière peu coûteuse et respectueuse de l’environnement.
L’équipe de recherche du Natural Science Center for Basic Research and Development de l’Université d’Hiroshima a publié ses conclusions le 28 janvier 2022 dans la revue American Chemical Society. ACS Chimie & Ingénierie Durables.
« Étant donné que les QD typiques impliquent souvent des matériaux toxiques, tels que le cadmium, le plomb ou d’autres métaux lourds, les préoccupations environnementales ont souvent été débattues lors de l’utilisation de nanomatériaux. Notre procédé et notre méthode de fabrication proposés pour les QD minimisent ces préoccupations », a déclaré Ken-ichi Saitow, responsable auteur de l’étude et professeur de chimie à l’Université d’Hiroshima.
Depuis la découverte du silicium poreux (Si) dans les années 1950, les scientifiques ont exploré ses utilisations dans des applications dans les batteries lithium-ion, les matériaux luminescents, les capteurs biomédicaux et les systèmes d’administration de médicaments. Non toxique et présent en abondance dans la nature, le Si possède des propriétés de photoluminescence, provenant de ses structures de points microscopiques (de taille quantique) qui servent de semi-conducteurs.
Conscients des préoccupations environnementales entourant les points quantiques actuels, les chercheurs ont entrepris de trouver une nouvelle méthode de fabrication de points quantiques ayant un impact environnemental positif. Il s’avère que les déchets de balles de riz sont une excellente source de silice de haute pureté (SiO2) et poudre de Si à valeur ajoutée.
L’équipe a utilisé une combinaison de broyage, de traitements thermiques et de gravure chimique pour traiter la silice de la balle de riz : d’abord, ils ont broyé les balles de riz et extrait la silice (SiO2) poudres en brûlant les composés organiques des balles de riz usiné. Deuxièmement, ils ont chauffé la poudre de silice résultante dans un four électrique pour obtenir des poudres de Si via une réaction de réduction. Troisièmement, le produit était une poudre de Si purifiée qui a ensuite été réduite à 3 nanomètres par attaque chimique. Enfin, sa surface a été fonctionnalisée chimiquement pour une stabilité chimique élevée et une dispersivité élevée dans le solvant, avec des particules cristallines de 3 nm pour produire les SiQD qui luminescent dans la gamme orange-rouge avec une efficacité de luminescence élevée de plus de 20 %.
« Il s’agit de la première recherche visant à développer une LED à partir de déchets de balles de riz », a déclaré Saitow, ajoutant que la qualité non toxique du silicium en fait une alternative intéressante aux points quantiques semi-conducteurs actuels disponibles aujourd’hui.
“La méthode actuelle devient une méthode noble pour développer des LED à points quantiques respectueuses de l’environnement à partir de produits naturels”, a-t-il déclaré.
Les LED ont été assemblées en une série de couches de matériaux. Un substrat en verre d’indium-étain-oxyde (ITO) était l’anode LED; c’est un bon conducteur d’électricité tout en étant suffisamment transparent pour l’émission de lumière. Des couches supplémentaires ont été déposées par centrifugation sur le verre ITO, y compris la couche de SiQD. Le matériau a été coiffé d’une cathode en film d’aluminium.
La méthode de synthèse chimique développée par l’équipe leur a permis d’évaluer les propriétés optiques et optoélectriques de la diode électroluminescente SiQD, y compris les structures, les rendements de synthèse et les propriétés du SiO2 et les poudres de Si et les SiQD.
“En synthétisant des SiQD à haut rendement à partir d’enveloppes riches et en les dispersant dans des solvants organiques, il est possible qu’un jour ces procédés puissent être mis en œuvre à grande échelle, comme d’autres procédés chimiques à haut rendement”, a déclaré Saitow.
Les prochaines étapes de l’équipe comprennent le développement d’une luminescence à plus haut rendement dans les SiQD et les LED. Ils exploreront également la possibilité de produire des LED SiQD autres que la couleur rouge-orange qu’ils viennent de créer. Pour l’avenir, les scientifiques suggèrent que la méthode qu’ils ont développée pourrait être appliquée à d’autres plantes, telles que la canne à sucre, le bambou, le blé, l’orge ou les graminées, qui contiennent du SiO2. Ces produits naturels et leurs déchets pourraient avoir le potentiel d’être transformés en dispositifs optoélectroniques non toxiques. En fin de compte, les scientifiques aimeraient voir la commercialisation de cette approche respectueuse de l’environnement pour créer des dispositifs luminescents à partir de déchets de balle de riz.
Les autres membres de l’équipe de recherche, également de l’Université d’Hiroshima, comprennent Honoka Ueda, Shiho Terada et Taisei Ono.
La recherche est financée par Next Generation World-Leading Researchers of the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), Grants-in-Aid for Scientific Research from JSPS, the PRESTO Structure Control and Function program of the Japan Science and Technology Agency, et la Fondation japonaise Keirin Autorace (JKA).
