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Nobel Física 2014 para Akasaki, Amano y Nakamura por el diodo azul
El diodo azul, una tecnología que casi todos usamos todos los días, obtiene el Premio Nobel de Física 2014. Isamu Akasaki y Hiroshi Amano (Univ. Nagoya, Japón) y Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara, EEUU). Seguro que tienes en el bolsillo ahora mismo un dispositivo que usa esta tecnología. Sin lugar a dudas este Premio Nobel de Física 2014 recoge perfectamente el espíritu original de Alfred Nobel.
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Los diodos emisores de luz (LED) actuales emiten luz entre el infrarrojo y el ultravioleta. Sin embargo, los primeros LED desarrollados en los 1950 y en los 1960 sólo emitían luz entre el infrarrojo y el verde. Los colores azules y ultravioletas parecían imposibles de lograr. A finales de los 1980 se propuso el uso de nitruro de galio (GaN) en dispositivos multicapa (heteroestructuras y pozos cuánticos). La importancia de lograr LED azules era enorme, ya que permitía el desarrollo de fuentes eficientes de luz blanca para iluminación (combinando LED rojos, verdes y azules). Hay que recordar que la iluminación supone entre el 20% y el 30% de nuestro consumo de energía eléctrica.
La emisión de luz por electroluminiscencia se basa en la existencia de una banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción en un material semiconductor. Lograr un material cuya emisión de luz sea en el azul es muy difícil porque se requiere una banda prohibida muy grande. Se estudiaron diferentes materiales compuestos (como ZnSe y SiC), pero al final se logró con GaN, un semiconductor de la clase III-V, con estructura cristalina tipo wurtzita. El GaN tiene una banda prohibida de 3,4 eV, que corresponde al ultravioleta.
El gran problema del uso del GaN era fabricar este material con una calidad cristalina adecuada y de forma eficiente. En los 1970 se probaron muchas técnicas sin éxito. Isamu Akasaki desarrolló nuevas técnicas de crecimiento de GaN sobre zafiro usando una capa de AlN. En 1981, en la Universidad de Nagoya, Japón, empezó a colaborar con Hiroshi Amano y en 1986 logró la técnica que le ha permitido obtener el Premio Nobel de Física 2014 (H. Amano et al., “Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer,” Appl. Phys. Lett. 48: 353, 1986).
Shuji Nakamura (en una empresa privada japonesa) desarrolló un método similar en el que reemplazó la capa de AlN por una fina capa de GaN crecida a baja temperatura (Shuji Nakamura, “GaN Growth Using GaN Buffer Layer,” Japanese Journal of Applied Physics 30: L1705, 1991; Shuji Nakamura et al., “High-Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes,” Japanese Journal of Applied Physics 30:L1998, 1991). Nakamura y sus colegas aprovecharon los resultados previos de Akasaki y Amano para desarrollar una técnica de dopado del GaN con Zn (material p) y Mg (material n) para dar lugar a uniones (diodos) pn que emiten luz.
Ampliar en: La Ciencia de la Mula Francis
Adornos navideños cuánticos
Desde hace pocos la iluminación de las calles en las fiestas cambió radicalmente. Además del cambio estético, también supuso un importante cambio tecnológico. Las bombillas incandescentes tradicionales fueron sustituidas por bombillas LED (Light Emitting Diode). La bombilla incandescente, es decir, la bombilla de toda la vida, no tiene nada que ver con estas nuevas bombillas LED, ni tampoco su rendimiento energético.
En la bombilla incandescente, la corriente eléctrica pasa por un filamento de wolframio (o tungsteno) extremadamente delgado -su espesor apenas supera una décima de milímetro- y largo -desenrollado mide más de 2 metros-. Debido a la elevada resistencia eléctrica del filamento, éste se calienta hasta alcanzar temperaturas superiores a los 2000 C. Los objetos que se encuentran a esas temperaturas emiten radiación visible, con lo que la bombilla emite luz. Sin embargo, la mayor parte de la radiación que emiten estas bombillas es infrarroja, que nosotros percibimos en forma de calor. De hecho, esa es la principal causa de la ineficiencia de las bombillas incandescentes, en las que sólo el 10% de la energía aportada se transforma en luz, el resto se pierde en forma de calor.
Las bombillas LED son totalmente diferentes y, aunque pueda parecer extraño, su funcionamiento es una consecuencia directa de la física cuántica. Son luces cuánticas. Curiosamente, el mecanismo que explica la emisión de luz en un LED es el opuesto al efecto fotoeléctrico, por el que Einstein recibiera el Premio Nobel en 1921. Si en el efecto fotoeléctrico la aplicación de luz sobre una material metálico induce una corriente eléctrica, en un LED se crea luz al aplicar corriente. Un LED es un diodo, cuyo componente principal es un semiconductor. Cuando la corriente pasa a través del semiconductor los electrones del diodo aumentan su energía pero inmediatamente después vuelven a su estado energético inicial emitiendo un fotón o, lo que es lo mismo, luz. Estas bombillas apenas se calientan, por lo que son extremadamente eficientes. De hecho, consumen unas 10 veces menos que las bombillas incandescentes, y también duran mucho más, unas 100 veces más, de modo que pueden estar encendidas durante más de 10 años ininterrumpidamente sin fundirse.
Las bombillas LED no son un invento reciente. Se conocen desde la década de los 60. Los primeros diodos emitían luz roja, que ahora son tan frecuentes en los aparatos electrónicos que nos rodean por casa. Posteriormente, se desarrollaron los verdes y a finales de los noventa Shuji Nakamura, que en el 2006 fue galardonado con el premio de la Tecnología del Milenio (considerado como el Premio Nobel de la Tecnología), logró obtener diodos azules. Este fue un gran avance, ya que su combinación con los diodos verdes y rojos permitía la obtención de luz blanca, y ampliar enormemente las aplicaciones tecnológicas de los LED.
A pesar de su ineficiencia, hemos estado utilizando las bombillas incandescentes durante más de 100 años. Sin embargo, gracias a la apuesta decidida de Europa por el ahorro energético, su venta ya está prohibida. No es un gran problema, ya que tenemos muchas alternativas: las luces halógenas (que también son incandescentes y, por lo tanto, no muy eficientes), las fluorescentes de bajo consumo y, cómo no, las bombillas LED, que dentro de pocos años, tan pronto bajen algo más su precio, serán las que seguramente iluminen nuestros hogares.
Retomando el debate del derroche energético del alumbrado navideño, en una ciudad como Bilbao sólo se necesitan 125 kW de potencia para alumbrar las más de las 500000 bombillas LED que se han instalado. Considerando que las luces sólo se encienden desde las 18 hasta las 22, y que el precio actual del kW-h ronda los 0.1 euros, ¡el coste diario no supera los 50 euros! No es para tanto, ¿no? En fin, si realmente contribuye a fomentar el optimismo ciudadano en estas Navidades me parece que es asumible. Por supuesto, no siempre ha sido igual. Antes del alumbrado cuántico, cuando se utilizaban las bombillas incandescentes tradicionales, el consumo era unas diez veces mayor.
Fuente: Cuaderno de Cultura Científica
Inventor de diodos azules recibe premio Millennium de tecnología
El científico japonés Shuji Nakamura recibe hoy en Helsinki el premio ‘Millennium’ de tecnología 2006, el principal galardón del mundo en este campo, por su contribución al desarrollo de nuevas fuentes lumínicas cuyas múltiples aplicaciones mejoran la calidad de vida humana.
Nakamura, quien recibirá el premio de manos de la presidenta de Finlandia, Tarja Halonen, anunció hoy que donará parte del millón de euros del ‘Millennium’ a una fundación que se dedica a iluminar zonas rurales del tercer mundo.
Shuji Nakamura, profesor de la Universidad de California, es el inventor de los diodos luminosos (LED, siglas en inglés) azul, verde y blanco, así como de la luz láser azul.
El invento de Nakamura abrió todo un abanico de posibilidades en la investigación y desarrollo de semiconductores generadores de luz, e hizo posible la producción industrial a gran escala de diodos luminosos de bajo consumo.
Las principales ventajas de las luces LED es que tienen una vida útil sumamente larga, no generan calor y consumen mucha menos energía que las lámparas convencionales.
Hoy en día, la tecnología basada en los diodos luminosos se emplea en la fabricación de pantallas de televisión y teléfonos móviles, en la industria automovilística, en el alumbrado urbano, anuncios luminosos e incluso muchos semáforos utilizan luces LED.
La tecnología desarrollada por Nakamura tiene además otras aplicaciones revolucionarias, como las lámparas azules y rojas para aumentar la producción agrícola o la potabilización del agua.
El proceso de esterilización del agua mediante el LED ultravioleta es más barato y eficiente que los sistemas actuales, por lo que se espera que este nuevo método mejore las condiciones de vida y de salud de millones de personas en los países en vías de desarrollo.
El desarrollo de la luz láser azul, otra de las aportaciones del científico japonés, permite quintuplicar el volumen de información almacenado en un CD o un DVD, en comparación con las técnicas actuales, lo que ha dado lugar a una nueva generación de soportes electrónicos: el HD DVD.
Desde que en los años 60 se inventó el LED rojo, muchos científicos del mundo dedicaron sus esfuerzos a desarrollar el LED azul y verde, ya que la combinación de los tres permite reproducir millones de colores.
Sin embargo, nadie fue capaz de conseguirlo hasta que en 1993 el profesor Nakamura, quien entonces trabajaba para la compañía japonesa Nichia, sorprendió al mundo científico con el diodo luminoso azul basado en nitrato de galio.
Nichia pagó entonces a Nakamura 20.000 yenes (unos 133 euros) en recompensa por sus descubrimientos.
Como propietaria de las patentes, la compañía japonesa ganó durante los siguientes años más de mil millones de euros, por lo que Nakamura presentó una demanda contra Nichia.
Finalmente, en el 2005 el Tribunal Superior de Tokio ordenó a la firma pagar a su ex empleado 843 millones de yenes (5,6 millones de euros) por la transferencia de las patentes.
Actualmente, el profesor Nakamura centra sus investigaciones en el desarrollo de luces LED blancas para iluminación mucho más potentes, con el fin de abaratar los costes de su producción a nivel industrial.
El premio ‘Millennium’, creado en el 2002 por una fundación finlandesa y dotado con un millón de euros (1,28 millones de dólares), se concede cada dos años por una invención tecnológica que contribuya de forma significativa a mejorar la calidad de vida y el desarrollo sostenible.
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