Brotkrümel bringen LED zum Leuchten

In Leuchtdioden (LED) kommt immer häufiger eine neue Nanokristalltechnik zum Einsatz, die eine bessere Leistung als herkömmliche blaue Leuchtdioden verspricht. Das ist zwar zukunftsweisend, hat aber auch Schattenseiten. So beinhaltet die anorganische Halbleiterbeleuchtung auch Materialien, die teilweise selten sind und deren chemische Synthese kompliziert und teuer ist. Hinzu kommt, dass sie bei der Entsorgung eine potenzielle Gefahr darstellen.

Möglicherweise gibt es aber schon bald Alternativen. Denn parallel zur anorganischen Halbleiterbeleuchtung wird verstärkt Zeit und Geld in die Entwicklung einer umweltfreundlicheren Alternative, der organischen Halbleiterbeleuchtung, investiert. So auch an der Universität im US-amerikanischen Bundesstaat Utah. Wissenschaftler vom dortigen Fachbereich Metallurgietechnik haben einen Weg gefunden, um LED mit Lebensmittel- und Getränkeabfällen leuchten zu lassen.

Synthese und Charakterisierung der Dots ist Herausforderung

Üblicherweise werden in modernen LED bestimmte Nanokristalle mit lumineszierenden Eigenschaften verwendet. In diesen Kristallen treten aufgrund ihrer äußerst kleinen Durchmesser sogenannte Quanteneffekte auf, weswegen sie auch als Quantum Dots (Quantenpunkte) bezeichnet werden. Die Wissenschaftler in Utah sind nun dazu übergegangen, diese Kristalle durch Kohlenstoff zu ersetzen, den sie aus Essensabfall gewinnen.

„In unseren Experimenten haben wir Softdrinks und Stückchen von Brot und Tortilla verwendet“, erzählt Michael Free, Professor am Fachbereich Metallurgietechnik der Uni in Utah. „Mit Hilfe der Solvothermalsynthese können wir diese Abfälle in Quantum Dots umwandeln.“ Bei diesem Verfahren wird der Essens- beziehungsweise Getränkeabfall in ein geeignetes Lösungsmittel gegeben. Das Gemisch wird dann in einer geschlossenen Reaktionszelle bei hohen Temperaturen unter hohen Druck gesetzt. Bei dieser Synthese entstehen Spuren von Kohlenstoff-Quantum-Dots, einfachheitshalber Carbon Dots genannt.

Ausgangsmaterial ist wesentlich günstiger

Um die verschiedenen optischen und Werkstoffeigenschaften dieser Carbon Dots bestimmen zu können, haben die Wissenschaftler eine Reihe von Tests durchgeführt. „Die Synthese und Charakterisierung von Carbon Dots aus Abfällen ist eine große Herausforderung“, betont Assistenzprofessor Prashant Sarswat. „Da die Größe der Dots die Intensität ihrer Farbe und Helligkeit bestimmt, läuft alles darauf hinaus, dass wir die exakte Größe der Dots bestimmen müssen.“ Die Krux dabei ist, dass diese einen Durchmesser von nur 20 Millionstel Millimeter oder noch weniger haben. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt etwa 75.000 Millionstel Millimeter.

Zum Schluss werden die Carbon Dots in Epoxidharz gelöst, erwärmt und gehärtet. Danach seien sie bereit für einen praktischen Einsatz in LED. Carbon Dots haben laut Wissenschaftler gegenüber den herkömmlichen Quantum Dots zwei Vorteile. Zum einen bestehen sie nicht aus toxischen Elementen wie Cadmium und Selen – Cadmiumselenid ist einer der häufigsten Quellen für Quantum Dots. Daher seien sie wesentlich umweltverträglicher. Zum anderen sei das Ausgangsmaterial zur Produktion von Carbon Dots wesentlich günstiger. „Im Grunde genommen kostet es gar nichts“, sagt Sarswat. Cadmiumselenid dagegen sei sehr teuer: „Auf einer Webseite wird für 25 Milliliter Cadmiumselenid ein Preis von 529 US-Dollar (465 Euro) genannt.“