A veces es sorprendente darse cuenta de la cantidad de trabajo que hay detrás de muchos de los objetos más cotidianos que nos rodean. Hasta el tornillo más simple tiene detrás horas de ingeniería e investigación de materiales. Y si nos movemos a objetos más complejos como nuestros móviles, se puede decir que además de las miles de horas de trabajo de ingeniería encontramos relaciones directas con investigación básica en departamentos de física y química de distintas universidades a lo largo del mundo.
El último novel de física de hecho, está relacionado con un objeto de lo más cotidiano que representa a la perfección este interesante fenómeno de increíbles cantidades de talento, pasión y trabajo duro detrás de muchos objetos cotidianos. Los galardonados son Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura por el descubrimiento del LED azul que abrió el camino a la creación de LEDs de color blanco que se pueden utilizar para multitud de fines y que permiten ahorrar ingentes cantidades de energía en iluminación.
El concepto de LED combina una cierta sencillez conceptual de un lado con unas dificultades técnicas considerables para obtener el rendimiento deseado de este objeto. LED es una abreviación del inglés “Light Emitting Diode”. Un diodo es un componente electrónico que permite pasar la corriente en un sentido pero no en el otro, como una puerta de emergencias que te permite Salir pero no entrar. Esta propiedad es de una enorme utilidad en electrónica. Los LED, además de solo permitir el paso de la corriente en una dirección, emiten luz mientras esta los atraviesa. Esta propiedad los ha convertido en una de las fuentes de luz más eficientes de las que disponemos. Pero para llegar a este punto han hecho falta nuevos desarrollos teóricos y mucha investigación.
Inicialmente el LED se basa en el fenómeno de la “electroluminiscencia”, descubierto en 1907 por Henrry Round en los Laboratorios Marconi. Electroluminiscencia es el fenómeno que caracteriza al LED por el cual, cuando un material es atravesado por una corriente emite luz. El fenómeno es distinto de radiación de cuerpo negro en el que se basan las bombillas tradicionales. En este caso un material o resistencia se calienta hasta que empieza a emitir luz y calor. La luminiscencia está basada en una propiedad de los electrones. Si tomamos como ejemplo un átomo, los electrones que rodean el núcleo se asientan en distintas capas. Cada una de estas capas representa un nivel de energía. Para mover un electrón a una capa superior, es necesario aplicar energía en forma de fotones. Si por alguna razón, el electrón baja a una capa inferior, emitirá su exceso de energía en forma de fotones.
Los LED explotan esta propiedad utilizando materiales llamados semiconductores, que se pueden usar para crear un efecto similar al de dos bandas de conducción paralelas. Imaginemos estas como dos barras horizontales, la superior representando la capa con un nivel de energía mayor. Los electrones transitarían por esta banda, mientras que en la banda inferior habría un material con huecos en donde los electrones de la parte superior pueden encajar. Al empezar a circular la corriente, los electrones en la banda superior se van cayendo en los huecos de la inferior y al hacerlo emiten la energía que les sobra en forma de fotones. El tipo de radiación o luz emitida, dependerá de la distancia entre estas dos bandas. Si el espacio entre las dos es pequeño, la radiación será menos intensa, lo que significa luz infrarroja o roja. Si el espacio es grande se emitirá una radiación más energética, lo que percibiremos como luz azul.
Los primeros LED se construyeron en los 60s con arseniuro de galio, que solo permitía la emisión de radiación infrarroja. Esto ya es muy útil de por sí, y muchos aparatos de control remoto aún hoy utilizan esto LED para funcionar. Así que es probable que utilices uno de estos LED cada vez que cambias el canal de la tele.
Una vez que se ha podido generar radiación infrarroja, parece claro que existe la posibilidad de obtener luz a través del mismo mecanismo. La teoría es sencilla, solo hace falta separar las dos bandas que hemos mencionado anteriormente. El problema es que las barras no son realmente tales, sino que son los materiales en si los que ejercen este efecto de acuerdo con sus características físicas. Esto implica que para crear los distintos tipos de LED, es imprescindible investigar una gran variedad de materiales para dar con aquellos cuya estructura molecular representa la separación entre las bandas de conducción adecuada para emitir luz a la frecuencia deseada. Es decir, para emitir luz del color deseado. En los años 70, se dan avances importantes en el diseño de los LED y mediante el uso de fósforo-arseniuro de galio se consiguen los primeros LED que emiten luz roja, y más adelante llegan los LEDs naranjas y amarillos.
Llegados a este nivel de desarrollo, la posibilidad de tener bombillas de LED parecía al alcance de la mano. Pero para sustituir a las bombillas tradicionales es imprescindible desarrollar LEDs que produzcan luz blanca. La luz blanca se consigue emitiendo fotones de todas los colores del espectro, y aún faltaba la posibilidad de emitir luz en la frecuencia de onda azul, que demostró ser la más difícil de conseguir. Finalmente se descubrió el material adecuado para este propósito, el nitruro de galio. Pero la dificultad radicaba en generar las condiciones adecuadas en las bandas de conducción inferior. Ya hemos mencionado que por la banda superior circulan electrones que caen en huecos (huecos electrónicos digamos) y al caer liberan la energía que les sobra. La dificultad estaba en inyectar estos “huecos” en la banda inferior. La única solución que se encontró fue añadir una mezcla de magnesio e hidrógeno, pero al añadir el hidrógeno la banda perdía conductividad eléctrica.
La gran aportación de Akasaki, Amano y Nakamura fue descubrir que aumentando la temperatura del material este volvía a ser conductivo a pesar del hidrógeno. Así dicho suena fácil, pero el problema traía de cabeza a cientos de científicos e ingenieros. Las consecuencias son entre otras, que hay una serie de LED blancos que en estos momentos están iluminando la pantalla en la que estás leyendo esto (a no ser que tengas un monitor de los antiguos con tubo catódico). Así que si pensabas que todo esto estaba desconectado de tu día a día, lo siento, te equivocabas.
Post inspirado en el siguiente video:
https://www.youtube.com/watch?v=_DjHR4PWYOs&list=UUvBqzzvUBLCs8Y7Axb-jZew
Información e imagen:
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
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