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Sedat Nizamoğlu, 32

Sus dispositivos LED basados en nanocristales ofrecen luz de gran calidad con una elevada eficiencia

Alrededor de una quinta parte de la electricidad generada en el mundo se utiliza para obtener iluminación. Este elevado consumo eléctrico podría reducirse a la mitad si se extendiese el uso de las tecnologías de iluminación de estado sólido, cuyo principal abanderado son los LED (diodos de emisión de luz). Estos pequeños dispositivos están ya por todas partes, desde semáforos, carteles luminosos y faros de vehículos hasta pantallas e indicadoresde aparatos electrónicos.

Pese su alta eficiencia, ligereza y durabilidad, hasta hace unos años los LED no eran adecuados para algunas aplicaciones, como iluminar el interior de una habitación debido a que no producían luz en cantidad y calidad suficiente. Así, perdían terreno frente a los fluorescentes, las lámparas halógenas y las tradicionales bombillas incandescentes. Esta competencia se mantiene a día de hoy a pesar de que las lámparas y luminarias basadas en LED tienen eficiencias energéticas tres veces mayores que sus versiones de 2005.

Para lograr que los LED sean cada vez más competitivos, el joven nanotecnólogo turco Sedat Nizamoglu lleva varios años trabajando en un nuevo tipo de diodo con nanocristales semicondutores integrados que, además de ofrecer luz de gran calidad, lo hace con una altísima eficiencia. El corazón de un dispositivo LED es su chip, una diminuta lámina de materiales semiconductores que convierte la electricidad que pasa por él en emisión de fotones gracias a un fenómeno llamado electroluminiscencia. Por ejemplo, Nizamoglu utilizó para algunos de sus LED chips de nitruro de galio-indio que generan una electroluminiscencia azul con el paso de corriente.

A continuación, dicha electroluminiscencia excita la llamada capa de conversión de color.  En los LED que actualmente dominan el mercado esa capa está hecha de fósforo, un elemento responsable de la fotoluminiscencia, cuyo resultado es la emisión de luz a partir de los fotones excitados. La emisión total de electroluminiscencia y fotoluminiscencia da lugar a la luz blanca que emite el LED. La propuesta de Nizamuglu consiste en lograr emitir más luz de buena calidad mediante la sustitución de la capa de conversión de color de fósforo por una de nanocristales.

Sintonizando nanocristales

A medida que aumenta el tamaño de un nanocristal de determinado material, el color de su emisión va variando de cian a rojo. Para ajustar las propiedades de los nanocristales que Nizamaglu utilizó en su capa de conversión, tuvo primero que analizar teóricamente este fenómeno -llamado confinamiento cuántico- y luego sintetizarlos. A diferencia del fósforo, que tiene un amplio espectro de fotoluminiscencia que cubre de azul a rojo, los nanocristales tienen una banda de emisión estrecha con sólo un color (verde, amarillo, etcétera). Esto hace que el espectro de emisión de un LED basado en ellos sea mucho más fácil de ajustar, lo que mejora la calidad y eficiencia del dispositivo.

Nizamuglu explica: "El uso de emisores de luz de banda estrecha estratégicamente posicionados en el espectro visible es clave para lograr diodos emisores de luz blanca de alta calidad y eficientes. Sin embargo, los fósforos convencionales no permiten un diseño fotométrico óptimo. Como solución, los nanocristales, con su emisión relativamente estrecha y fuerte, tienen un gran potencial para acercarse a niveles de rendimiento de iluminación ultraeficientes con un alto índice de reproducción cromática".

Este índice de reproducción cromática expresa en qué medida el ojo humano puede detectar los colores originales de los objetos. Por ejemplo,  al iluminar un objeto verde con una luz roja no se puede distinguir que es verde, pero si se ilumina con un LED blanco con un índice de reproducción cromática alto puede observarse muy bien su color verde.

Nizamoglu, actualmente profesor de la Universidad Ozyegin (Turquía), presentó por primera vez los LED que había diseñado y fabricado junto a otros colaboradores en un artículo en la revista Nanotechnology en 2007. Desde entonces, han seguido investigando para mejorar sus niveles de rendimiento, trabajo que ha resultado en más  publicaciones en Applied Physics Letters y Optics Letters y finalmente en la comercialización de estos LED por parte de la empresa Evident Technologies. Según Nizamoglu, Samsung, que compró las patentes de estos dispositivos a Evident podría lanzar "en un futuro próximo "una nueva pantalla basada en este tipo de LED.

Nizamoglu hizo una demostración para mostrar el buen equilibrio entre la eficiencia luminosa de sus dispositivos, es decir, su capacidad para proporcionar luz visible a partir de la electricidad, y la calidad de su luz. El joven explica: "En un trabajo reportado en la literatura científica, los LED basados en fósforo tenían una eficacia luminosa de 274 lúmenes por vatio óptico y un índice de reproducción cromática de 89. Nosotros demostramos un LED basado en de nanocristales con una eficacia luminosa de 357 lúmenes por vatio óptico, con el mismo índice de reproducción cromática".

Los dispositivos basados en nanocristales como estos tienen un gran potencial de expansión durante el próximo lustro. Según estimaciones de BCC Research, su mercado crecerá un 90% de 2013 a 2018, momento en que superará los 3.000 millones de dólares (2.244 millones de euros). No obstante, según reconoce Nizamoglu, su coste aún necesita disminuir "mediante la síntesis a gran escala, bajo costo y alta calidad de estos cristales". También deberán sustituirse los metales pesados que contienen, como el cadmio, por otros más seguros como el fosfuro de indio.

Pese a los retos que esta tecnología aún debe superar, utilizar LED más eficientes y que ofrezcan una mejor calidad de iluminación podría generar un gran impacto económico y social. Según el Foro Económico Mundial, el mercado actual de soluciones eléctricas y de iluminación es de 274 millones de hogares. Al tiempo, una cuarta parte de la población mundial carece de electricidad y obtiene iluminación de combustibles contaminantes y nocivos para la salud. Para estas personas, los sistemas de iluminación fuera de la red basados en LED se han convertido en una alternativa  atractiva para mejorar su calidad de vida. Además, su adopción podría suponerun importante ahorro de emisiones de gases de efecto invernadero.

Nizamoglu estudió Ingeniería Eléctrica y Electrónica y Física en la Univesidad de Bilkent (Turquía), centro donde también cursó su máster y doctorado. Antes de comenzar su etapa profesional en la Universidad Ozyegin estuvo tres años investigando en la creación de dispositivos ópticos y fotónicos bioinspirados en la Facultad de Medicina de la Universidad de Harvard (EEUU).

En opinión del científico sénior del Laboratorio Nacional Argonne (EEUU), Ali Erdemir, que es miembro del jurado de los premios MIT Technology Review Innovadores menores de 35 Turquía, este joven nanotecnólogo cuenta con una sólida formación y "ha hecho descubrimientos clave que pueden revolucionar el campo de los LED". - Elena Zafra