Prêmio Nobel de Física 2014: uma nova fonte de luz energeticamente eficiente e ambientalmente correta, o LED.


[Tradução do texto publicado em inglês no site http://www.nobelprize.org/ © The Royal Swedish Academy of Sciences]

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura foram premiados por inventar uma nova fonte de luz energeticamente eficiente e ambientalmente correta – o diodo emissor de luz (LED, do inglês light-emitting diode) azul. No espírito de Alfred Nobel, o Prêmio recompensa uma invenção de grande benefício à humanidade; usando LEDs azuis, luz branca pode ser produzida de uma nova forma. Com o surgimento de lâmpadas LED temos agora alternativas mais eficientes e duradouras às fontes de luz antigas.

Quando Akasaki, Amano e Nakamura chegarem em Estocolmo no início de dezembro para participar da cerimônia do Prêmio Nobel, eles dificilmente não notarão a luz de sua invenção brilhando em praticamente todas as janelas da cidade. Lâmpadas LED brancas são energeticamente eficientes, duradouras e emitem uma brilhante luz branca. Além disso, e diferentemente de lâmpadas fluorescentes, elas não contêm mercúrio. Diodos emissores de luz vermelha e verde estiveram conosco por quase meio século, mas luz azul era necessária para realmente revolucionar a tecnologia de iluminação. Apenas a tríade de vermelho, verde e azul podem produzir a luz branca que ilumina o mundo para nós. Apesar dos altos riscos e grandes esforços feitos na comunidade científica assim como na indústria, a luz azul permaneceu um desafio por três décadas. Akasaki trabalhou com Amano na Universidade de Nagoya enquanto Nakamura estava empregado na Nichia Chemicals, uma pequena empresa localizada em Tokushima, na ilha de Shikoku. Quando obtiveram luz azul brilhante de seus semicondutores, os portões se abriram para uma transformação fundamental na tecnologia de iluminação. Lâmpadas incandescentes iluminaram o século XX; o século XXI será iluminado por lâmpadas LED.

Poupando energias e recursos

Um diodo emissor de luz consiste de vários materiais semicondutores em camadas. No LED, a eletricidade é diretamente convertida em partículas de luz, fótons, levando a ganhos em eficiência sobre outras fontes de luz onde a maior parte da eletricidade é convertida em calor e apenas uma pequena parte em luz. Em lâmpadas incandescentes, assim como em lâmpadas halógenas, a corrente elétrica é usada para esquentar um filamento, fazendo-o brilhar. Em lâmpadas fluorescentes (previamente chamadas de lâmpadas de baixa energia, mas com o surgimento de lâmpadas LED esse rótulo perdeu seu significado), uma descarga gasosa é produzida, produzindo calor e luz. Assim, os novos LEDs necessitam de menos energia para emitir luz comparados às fontes de luz antigas. Além disso, são constantemente aprimorados, tornando-se mais eficientes com maior fluxo luminoso (medido em lúmens) por unidade de força elétrica de entrada (medida em watts). O recorde mais recente é de pouco mais de 300 lúmens/watt, que pode ser comparado ao valor de 16 para lâmpadas comuns e em torno de 70 para lâmpadas fluorescentes. Como um quarto do consumo mundial de eletricidade advém de iluminação, os energeticamente eficientes LEDs contribuem para poupar os recursos da Terra.

LEDs também são mais duradouros do que outras lâmpadas. Lâmpadas incandescentes tendem a durar 1.000 horas, já que o calor destrói o filamento, enquanto lâmpadas fluorescentes geralmente duram em torno de 10.000 horas. LEDs podem durar até 100.000 horas, assim reduzindo drasticamente o consumo de materiais. Criar luz em tecnologia de LEDs semicondutores tem origem na mesma arte da engenharia que nos deu telefones móveis, computadores e qualquer equipamento eletrônico moderno baseado em fenômenos quânticos. Um diodo emissor de luz consiste de várias camadas: uma camada tipo n com excesso de elétrons negativos, e uma camada tipo p com insuficiência de elétrons, também chamada de camada com excesso de buracos positivos.  Entre elas há uma camada ativa, à qual os elétrons negativos e os buracos positivos são empurrados quando voltagem elétrica é aplicada ao semicondutor. Quando elétrons e buracos se encontram, eles recombinam, e luz é produzida. O comprimento de onda da luz depende inteiramente do semicondutor; luz azul aparece no lado de ondas curtas do arco-íris e pode ser produzida apenas em alguns materiais. O primeiro relatório de luz sendo emitida por um semicondutor foi feito em 1907 por Henry J. Round, um colega de Guglielmo Marconi, Laureado do Prêmio Nobel em 1909. Mais tarde, nas décadas de 1920 e 1930, na União Soviética, Oleg V. Losev executou estudos cuidadosos sobre emissão de luz. Porém, Round e Losev não tinham conhecimento suficiente para realmente entender o fenômeno. Levaria mais algumas décadas até que os pré-requisitos para uma descrição teórica desta então chamada eletroluminescência fossem criados. O diodo emissor de luz vermelha foi inventado no fim da década de 1950. Foi usado, por exemplo, em relógios digitais e calculadoras, ou como indicador de estado ligado/desligado em várias aplicações. Nos estágios iniciais ficou evidente que um diodo emissor de luz com comprimento de onda curto, consistindo de fótons altamente energéticos – um diodo azul – seria necessário para criar luz branca. Muitos laboratórios tentaram, mas sem sucesso.

Desafiando convenções

Os Laureados desafiaram verdades estabelecidas; eles trabalharam duro e tomaram riscos consideráveis. Eles mesmos construíram seu equipamento, aprenderam a tecnologia, e executaram milhares de experimentos. Na maior parte dos casos eles falharam, mas não entraram em desespero; esta era a arte do laboratório em seu mais alto nível. Nitreto de gálio foi o material escolhido para tanto Akasaki quanto Amano e também para Nakamura, e eles finalmente foram bem-sucedidos em seus esforços, embora outros tenham falhado antes deles.  Inicialmente, o material foi considerado apropriado para produzir luz azul, mas as dificuldades práticas haviam se provado enormes. Ninguém era capaz de desenvolver cristais de nitreto de gálio de qualidade alta o suficiente, já que produzir uma superfície adequada ao crescimento do cristal de nitreto de gálio era visto como uma empreitada sem esperanças. Além disso, era virtualmente impossível criar camadas tipo p neste material. Mesmo assim, Akasaki estava convencido por experiência passada que a escolha do material estava correta, e continuou trabalhando com Amano, que era um aluno de Doutorado na Universidade de Nagoya. Nakamura, em Nichia, também escolheu nitreto de gálio antes da alternativa, seleneto de zinco, que outros consideravam um material mais promissor.

Fiat lux – faça-se a luz

Em 1986, Akasaki e Amano foram os primeiros a serem bem-sucedidos em criar um cristal de nitreto de gálio de alta qualidade colocando uma camada de nitreto de alumínio em um substrato de safira e então desenvolvendo o nitreto de gálio de alta qualidade sobre ela. Alguns anos depois, no fim da década de 1980, eles fizeram uma descoberta em criar uma camada tipo p. Por coincidência, Akasaki e Amano descobriram que o material estava brilhando mais intensamente quando era estudado em um microscópio eletrônico de varredura. Isso sugeriu que o feixe eletrônico do microscópio estava tornando a camada tipo p mais eficiente. Em 1992 eles puderam apresentar seu primeiro diodo, emitindo uma brilhante luz azul. Nakamura começou a desenvolver o LED azul em 1988. Dois anos depois, ele também foi bem sucedido em criar nitreto de gálio de alta qualidade. Ele encontrou sua própria forma inteligente de criar o cristal, primeiro desenvolvendo uma fina camada de nitreto de gálio em baixa temperatura, e desenvolvendo camadas subsequentes em alta temperatura. Nakamura também pôde explicar por que Akasaki e Amano foram bem-sucedidos com sua camada tipo p: o feixe eletrônico removia o hidrogênio que evitava que a camada p se formasse. Por sua parte, Nakamura substituiu o feixe eletrônico por um método mais simples e barato: aquecendo o material, ele conseguiu criar uma camada tipo p funcional em 1992. Assim, as soluções de Nakamura foram diferentes das feitas por Akasaki e Amano. Durante a década de 1990, ambos os grupos de pesquisa foram bem-sucedidos em aprimorar seus LEDs azuis, tornando-os mais eficientes. Eles criaram diferentes ligas de nitreto de gálio usando alumínio ou índio, e a estrutura do LED tornou-se cada vez mais complexa. Akasaki, junto de Amano e também Nakamura, também inventaram um laser azul em que o LED azul, do tamanho de um grão de areia, é um componente crucial. Contrário à luz dispersa do LED, um laser azul emite um feixe afiadamente cortante.  Já que luz azul possui um comprimento de onda extremamente curto, pode ser comprimido muito mais; com luz azul, a mesma área pode armazenar quatro vezes mais informação do que com luz infravermelha. Esse aumento na capacidade de armazenamento rapidamente levou ao desenvolvimento de discos Blu-ray com tempos de playback maiores, assim como melhores impressoras laser. Muitos aparelhos domésticos também são equipados com LEDs. Eles brilham sua luz em telas de LCD em televisores, computadores e telefones móveis, nos quais eles também fornecem uma lâmpada e flash para a câmera.

Uma brilhante revolução

As invenções dos Laureados revolucionaram o campo da tecnologia de iluminação. Lâmpadas novas, mais baratas, mais eficientes e mais inteligentes estão sendo desenvolvidas todo o tempo. Lâmpadas LED brancas podem ser produzidas de duas formas diferentes. Uma maneira é usar a luz azul para excitar fósforo, que então brilha em vermelho e verde. Quando todas as cores se unem, luz branca é produzida. A outra maneira é construir a lâmpada com três LEDs, vermelho, verde e azul, e deixar que os olhos façam o trabalho de combinar três cores em branco. Lâmpadas LED são dessa forma fontes de luz flexíveis, já com várias aplicações no campo da iluminação – milhões de cores diferentes podem ser produzidas; as cores e a intensidade podem ser variadas conforme necessário. Painéis luminosos coloridos, com várias centenas de metros quadrados de tamanho, piscam, mudam de cor e padrões. E tudo pode ser controlado por computadores. A possibilidade de controlar a cor da luz também implica que lâmpadas LED podem reproduzir as alternações de luz natural ou seguir nosso relógio biológico. Cultivo em estufas usando iluminação artificial já é uma realidade. A lâmpada LED também traz grandes promessas quanto à possibilidade de aumentar a qualidade de vida para mais de 1,5 bilhões de pessoas que atualmente não possuem acesso às redes de eletricidade, já que os requisitos baixos de energia implicam que a lâmpada pode ser alimentada por energia solar local barata. Além disso, água poluída pode ser esterilizada usando LEDs ultravioleta, uma elaboração subsequente ao LED azul. A invenção do LED azul tem apenas vinte anos de idade, mas já contribuiu na criação de luz branca de uma forma completamente nova, para o benefício de todos.

Boletim SBPMat – edição 25 – setembro 2014 – especial XIII Encontro da SBPMat.


Edição nº 25 – Setembro de 2014

Especial XIII Encontro da SBPMat – João Pessoa, 28 de setembro a 2 de outubro

Saudações, .

Últimos preparativos para o encontro de João Pessoa!

– Veja a mensagem dos coordenadores do evento, que neste ano conta com 2.141 trabalhos aceitos e cerca de 2.000 inscrições de 28 países até o momento. Na mensagem, os professores Ieda Garcia e Severino de Lima apontam os destaques da programação do encontro deste ano! Aqui.

– Depois do almoço a antes das plenárias da tarde, você poderá assistir em João Pessoa às palestras técnicas de patrocinadores do encontro: a Shimadzu falará sobre MEV com feixe de íons e detector TOF SIMS, e a FEI abordará DualBeam TEM. Saiba mais.
João Pessoa, a “porta do sol”. Saiba mais sobre a cidade, uma das mais antigas do Brasil, e suas atrações naturais e culturais. E prepare-se para mergulhar em águas verdes a 28° C! Leia sobre João Pessoa.
– O que levar na mala? Acompanhe a previsão do tempo, cujas temperaturas devem ficar entre os 22° C e os 30° C. Mas atenção, a organização adverte que, no Centro de Convenções, o ar condicionado deixará o ambiente friozinho… Link para clima em João Pessoa.
Inscrições para participar do evento: aqui.
– Panorama geral da programação: aqui.
– Busca de horários e locais das apresentações dos simpósios: aqui.

–  Algumas opções de hospedagem, locação de carros, transporte desde aeroportos da região, transporte hotéis-centro de convenções e passeios: veja na página inicial do site do evento. Aqui.

– E a festa? Neste ano, será realizada na noite da quarta-feira no Espaço da Caixa Econômica Federal no Cabo Branco. Os ingressos poderão ser comprados na secretaria a partir da segunda-feira às 13h00.

Entrevistas com plenaristas (em português)

Entrevistamos Robert Chang, professor do primeiro departamento de Ciência de Materiais do mundo, na Northwestern University. Além de possuir uma notória carreira como pesquisador (seu índice H é de 56), “Bob” tem se dedicado, nos últimos 20 anos, a conduzir o desenvolvimento do programa Materials World Modules, que desenvolve material educativo de caráter interativo e lúdico (por exemplo, jogos de cartas) sobre Materiais e Nanotecnologia para estudantes do Ensino Básico e seus professores. Na sua palestra plenária no XIII Encontro da SBPMat, o professor Chang tentará mobilizar cidadãos do mundo a solucionar problemas globais, juntos. Veja nossa entrevista com o cientista.

Também falamos com o professor Colin Humphreys, professor da University of Cambridge.  Entre outras honrarias, o cientista recebeu da Rainha de Inglaterra o título de “Sir”, por seus serviços prestados à ciência. Além de ser autor de mais de 600 publicações, o professor desenvolveu materiais para a indústria que hoje voam em motores de aviões e criou LEDs de baixo custo baseados em nitreto de gálio, material no qual é especialista. Em João Pessoa, mostrará, entre outras questões, como o nitreto de gálio poderia reduzir o consumo de eletricidade do mundo em 25%. Veja nossa entrevista com Colin Humphreys.
Entrevistamos o físico alemão Karl Leo, especialista em semicondutores orgânicos. Além de ser autor de mais de 550 papers com mais de 23.000 citações e de 50 famílias de patentes, o cientista já participou da criação de 8 empresas spinoff. Na sua palestra plenária no XIII Encontro da SBPMat, Karl Leo falará sobre dispositivos orgânicos de alta eficiência, como OLEDs e células solares. Veja nossa entrevista com Karl Leo.
Também falamos com o físico português Luís António Ferreira Martins Dias Carlos, da Universidade de Aveiro, que dará uma palestra plenária em nosso encontro de João Pessoa sobre luminescência aplicada à nanomedicina. Na entrevista, o professor compartilhou conosco seus trabalhos mais destacados na área de Materiais. Ele também nos falou sobre alguns desafios da área de luminescência para aplicações médicas, tanto no diagnóstico por imagens quanto no mapeamento da temperatura intracelular, e citou exemplos de aplicações de materiais luminescentes que estão no mercado e já são utilizadas no diagnóstico e tratamentos de diversas doenças. Veja nossa entrevista com Luís Dias Carlos.
Conversamos com o cientista francês Jean-Marie Dubois, especialista em quasicristais (estruturas ordenadas mas não periódicas de materiais sólidos) e pioneiro no patenteamento de aplicações dos quasicristais. Ele nos contou um pouco quais são suas principais contribuições à área de Materiais e adiantou o tema da sua plenária, na qual falará sobre essa ordem não periódica que está presente em ligas metálicas, polímeros, óxidos e nanoestruturas artificiais e que gera propriedades sem precedentes. Na foto, Jean-Marie Dubois (esquerda) e Dan Shechtman, quem recebeu um Prêmio Nobel em 2011 pelos quasicristais, usando gravatas iguais, decoradas com um mosaico de Penrose – um exemplo típico de aperiodicidade. Veja nossa entrevista com Jean-Marie Dubois.
Também entrevistamos o químico italiano Roberto Dovesi, um dos criadores de CRYSTAL, ferramenta computacional para cálculos quânticos ab initio usados no estudo de diversas propriedades de materiais sólidos. O código CRYSTAL hoje é utilizado em mais de 350 laboratórios no mundo. Na sua palestra plenária, Dovesi tentará demonstrar que, atualmente, simulações quânticas podem ser ferramentas muito úteis para complementar os experimentos. Veja nossa entrevista com Roberto Dovesi.
Entrevistamos o professor Alberto Salleo, da Universidade de Stanford, que falará no XIII Encontro da SBPMat sobre dispositivos eletrônicos orgânicos. Jovem, porém dono de uma carreira que já se destaca internacionalmente, Salleo nos contou sobre os trabalhos de seu grupo, que tem se aprofundado no estudo do papel exercido pelas imperfeições no transporte de cargas em semicondutores orgânicos. Ele também compartilhou conosco seus papers mais destacados, publicados na Nature Materials. Finalmente, Salleo falou sobre os próximos desafios e aplicações da eletrônica orgânica e adiantou o que pretende abordar na sua plenária, que promete ser informativa e amena para um amplo público. Veja nossa entrevista com Alberto Salleo.
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