De flesta julljus, DVD-spelare, TV-apparater och ficklampor har en sak gemensamt:de är gjorda med lysdioder (LED). Lysdioder används ofta för en mängd olika applikationer och har varit en populär, effektivare alternativ till lysrör och glödlampor under de senaste decennierna. Två forskare från University of Utah har nu hittat ett sätt att skapa lysdioder från mat- och dryckesavfall. Förutom att ta tillvara mat- och dryckesavfall som annars skulle sönderfalla och inte vara till någon nytta, denna utveckling kan också minska potentiellt skadligt avfall från lysdioder som vanligtvis är gjorda av giftiga element.

Lysdioder är en typ av enhet som effektivt kan omvandla elektricitet till ljus. Till skillnad från lysrör och glödlampor, som styr 80 % av den energi som förbrukas till att producera värme, Lysdioder styr 80 % av den energi som förbrukas till att producera ljus. Detta möjliggörs av det faktum att lysdioder inte kräver att en glödtråd värms upp som glödlampor och lysrör gör.

Lysdioder kan produceras av kvantprickar, eller små kristaller som har självlysande egenskaper. Quantum dots (QDs) kan göras med många material, varav några är sällsynta och dyra att syntetisera, och till och med potentiellt skadligt att kassera. Viss forskning under de senaste 10 åren har fokuserat på att använda kolprickar (CD-skivor), eller helt enkelt QDs gjorda av kol, att skapa lysdioder istället.

Jämfört med andra typer av kvantprickar, CD-skivor har lägre toxicitet och bättre biokompatibilitet, vilket innebär att de kan användas i ett bredare utbud av tillämpningar.

U Metallurgical Engineering Research biträdande professor Prashant Sarswat och professor Michael Free, under det senaste och ett halvt året, har framgångsrikt förvandlat matavfall såsom kasserade bitar av tortilla till CD-skivor, och därefter, lysdioder.

Resultaten publicerades nyligen i Fysikalisk kemi Kemisk fysik , en tidskrift från Royal Society of Chemistry.

Från bröd till glödlampa

För att syntetisera avfall till CD-skivor, Sarswat och Free använde en solvotermisk syntes, eller en där avfallet placerades i ett lösningsmedel under tryck och hög temperatur tills CD-skivor bildades. I detta experiment, forskarna använde läsk och brödbitar och tortilla.

Mat- och dryckesavfallet placerades i ett lösningsmedel och värmdes upp både direkt och indirekt i allt från 30 till 90 minuter.

Efter att ha lyckats hitta spår av CD-skivor från syntesen, Sarswat och Free fortsatte med att belysa CD-skivorna för att övervaka deras bildning och färg.

Paret använde också fyra andra tester, Fourier transform infraröd spektroskopi, röntgenfotoelektronspektroskopi, Raman och AFM avbildning för att bestämma CD-skivornas olika optiska och materialegenskaper.

"Syntetisera och karakterisera CD-skivor som härrör från avfall är en mycket utmanande uppgift. Vi måste i huvudsak bestämma storleken på punkter som bara är 20 nanometer eller mindre i diameter, så vi måste köra flera tester för att vara säker på att CD-skivor finns och för att avgöra vilka optiska egenskaper de har, sa Sarswat.

För jämförelse, ett människohår är runt 75, 000 nanometer i diameter.

De olika testerna som Sarswat och Free körde mätte först storleken på CD-skivorna, som korrelerar med intensiteten på prickarnas färg och ljusstyrka. Testerna bestämde sedan vilken kolkälla som producerade de bästa CD-skivorna. Till exempel, sackaros och D-fruktos löst i läskedrycker visade sig vara de mest effektiva källorna för produktion av CD-skivor.

Till sist, CD-skivorna suspenderades i epoxihartser, uppvärmd och härdad för att stelna CD-skivorna för praktisk användning i lysdioder.

Ett miljömässigt hållbart alternativ

För närvarande, en av de vanligaste källorna till QD är kadmiumselenid, en förening som består av två giftiga grundämnen. Möjligheten att skapa QDs i form av CD-skivor från mat- och dryckesavfall skulle eliminera behovet av oro över giftigt avfall, eftersom maten och dryckerna i sig inte är giftiga.

"QDs som härrör från mat- och dryckesavfall är inte baserade på vanliga giftiga element som kadmium och selen, vilket gör deras bearbetning och bortskaffande mer miljövänligt än vad det är för de flesta andra QD. Dessutom, användningen av mat- och dryckesavfall som utgångsmaterial för QDs möjliggör minskat avfall och kostnad för att producera ett användbart material, sa Free.

Förutom att vara giftig när den bryts ner, kadmiumselenid är också dyrt - en webbplats noterade ett pris på 529 $ för 25 ml av föreningen.

"Med mat- och dryckesavfall som redan finns där, vårt utgångsmaterial är mycket billigare. Faktiskt, det är i princip gratis, sa Sarswat.

Enligt en rapport från det amerikanska jordbruksdepartementet, ungefär 31 % av maten som producerades 2014 var inte tillgänglig för mänsklig konsumtion. Att kunna använda detta avfall för att skapa lysdioder som används i stor utsträckning inom ett antal tekniker skulle vara ett miljömässigt hållbart tillvägagångssätt.

Ser fram emot, Sarswat och Free hoppas kunna fortsätta att studera de lysdioder som produceras av mat- och dryckesavfall för stabilitet och långsiktig prestanda.

"Det slutliga målet är att göra detta i stor skala och att använda dessa lysdioder i vardagliga enheter. För att framgångsrikt kunna använda avfall som redan finns, det är slutmålet, sa Sarswat.