En busca de nuevas formas de luz

Lámparas de aceite, velas, lámparas de queroseno, bombillas de filamento, tubos fluorescentes, lámparas halógenas, lámparas basadas en diodos emisores de luz (LEDs, de light-emitting diodes en inglés) … desde el Pleistoceno superior, el ser humano ha empleado diferentes materiales y principios físicos para iluminar allá donde la luz solar no llegaba. El 1 de septiembre del pasado año dejaban de comercializarse las bombillas halógenas por ser altamente ineficientes. Esta fecha era el límite reglamentado por la Unión Europea para implantar una tecnología basada en LEDs energéticamente más eficiente y respetuosa con el medio ambiente.

Los LEDs son dispositivos de estado sólido capaces de generar luz a partir de electricidad mediante un fenómeno que se conoce como electroluminiscencia. Si bien la invención de los LEDs se remonta a hace casi un siglo, su irrupción en la tecnología de la iluminación no ha tenido lugar hasta hace unos años. Esto no habría sido posible sin las contribuciones de Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura (galardonados con el premio Nobel de Física en 2014) que desarrollaron los primeros LEDs azules eficientes, esenciales para la generación de luz blanca.

Fundamentalmente, las lámparas LED funcionan combinando un LED azul o ultravioleta con materiales fotoluminiscentes, generalmente fósforos (matrices cristalinas inorgánicas dopadas con tierras raras). Los fósforos actúan en estas lámparas como conversores de color, absorbiendo toda o parte de la emisión del LED y posteriormente emitiendo luz en otra zona del espectro visible, siendo la combinación de colores percibida como luz blanca para nuestro ojo.

En la mayoría de lámparas LED que tenemos en casa se emplea un LED azul para excitar un recubrimiento de granate de itrio y aluminio dopado con cerio (YAG:Ce) que tiene una banda de emisión centrada en el amarillo. La conversión de color es muy eficiente, sin embargo, ofrece una luz blanca con una temperatura de color alta, es decir tonos fríos, al faltarle componentes rojas. El contenido cromático de la emisión de una lámpara, es decir la intensidad de cada color que compone la luz blanca, determina la manera en que nuestro ojo diferencia los colores de los objetos cuando son iluminados. Además, la luz azul presente en los LEDs sufre una mayor dispersión por nuestra atmósfera, lo que contribuye a un aumento de la contaminación lumínica de nuestros cielos nocturnos.

En general, la luz influye en la actividad fisiológica de animales y plantas, es por ello que resulta muy interesante encontrar alternativas que permitan controlar de manera precisa la tonalidad de la luz que generamos. En este contexto, se está investigando el uso de nuevos fósforos, puntos cuánticos o biomoléculas en lámparas LED.

En el marco del proyecto europeo NANOPHOM en el que trabajo en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, estudiamos las propiedades de nanofósforos, partículas de aproximadamente 40 nanómetros que contienen elementos emisores de tierras raras. Estas partículas luminiscentes son muy estables química y térmicamente. Además, pueden ser procesadas fácilmente en forma de láminas finas (desde 100 nanómetros hasta varias micras), lo que les confiere gran versatilidad.

En nuestro trabajo, hacemos uso de la nanofotónica, que abarca el estudio de la generación, manipulación y detección de la luz, para modificar la emisión de estos nanomateriales. En concreto, cuando los tamaños de los objetos con los que manejamos la luz son comparables a la longitud de onda (centenas de nanómetros en el caso del espectro visible), obtenemos propiedades singulares fruto de la interacción radiación-materia que se da en esta escala.

De este modo, haciendo uso de la nanotecnología, podemos controlar desde el color hasta la dirección de la luz de emisores embebidos en sistemas fotónicos nanoestructurados. De esta forma, diseñamos y fabricamos arquitecturas con las que modelamos la forma en la que láminas de nanofósforos emiten luz sin necesidad de modificar su composición química. 

Aunque actualmente producir la misma cantidad de luz que hace 20 años es mucho más barato (en términos de gasto eléctrico), es posible mejorar aún más las propiedades de estos dispositivos basados en LEDs. Así, se está trabajando intensamente en laboratorios de todo el mundo en la síntesis y procesado de nuevos materiales emisores de luz y el empleo de las herramientas que nos ofrece la nanotecnología para obtener un control preciso de las propiedades de la luz.  De esta manera, se busca que una nueva forma de iluminación artificial que pueda generar luz de la tonalidad adecuada y solo donde sea necesaria, intentando reducir el impacto negativo sobre los sistemas vivos, entre los que nos incluimos.