{"id":2669,"date":"2014-10-10T14:44:13","date_gmt":"2014-10-10T17:44:13","guid":{"rendered":"http:\/\/sbpmat.org.br\/?p=2669"},"modified":"2014-10-21T10:25:15","modified_gmt":"2014-10-21T13:25:15","slug":"premio-nobel-de-fisica-2014-uma-nova-fonte-de-luz-energeticamente-eficiente-e-ambientalmente-correta-o-led","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/premio-nobel-de-fisica-2014-uma-nova-fonte-de-luz-energeticamente-eficiente-e-ambientalmente-correta-o-led\/","title":{"rendered":"Pr\u00eamio Nobel de F\u00edsica 2014: uma nova fonte de luz energeticamente eficiente e ambientalmente correta, o LED."},"content":{"rendered":"

[Tradu\u00e7\u00e3o do texto publicado em ingl\u00eas no site http:\/\/www.nobelprize.org\/<\/a>\u00a0\u00a9 The Royal Swedish Academy of Sciences]<\/p>\n

Isamu Akasaki<\/em><\/strong>, Hiroshi Amano <\/strong>e Shuji Nakamura <\/strong>foram premiados por inventar uma nova\u00a0<\/em>fonte de luz energeticamente eficiente e ambientalmente correta – o diodo emissor de luz (LED, do ingl\u00eas light-emitting diode) azul. No esp\u00edrito de Alfred Nobel, o Pr\u00eamio recompensa uma inven\u00e7\u00e3o de grande benef\u00edcio \u00e0 humanidade; usando LEDs azuis, luz branca pode ser produzida de uma nova forma. Com o surgimento de l\u00e2mpadas LED temos agora alternativas mais eficientes e duradouras \u00e0s fontes de luz antigas.<\/em><\/p>\n

Quando Akasaki, Amano e Nakamura chegarem em Estocolmo no in\u00edcio de dezembro para participar da cerim\u00f4nia do Pr\u00eamio Nobel, eles dificilmente n\u00e3o notar\u00e3o a luz de sua inven\u00e7\u00e3o brilhando em praticamente todas as janelas da cidade. L\u00e2mpadas LED brancas s\u00e3o energeticamente eficientes, duradouras e emitem uma brilhante luz branca. Al\u00e9m disso, e diferentemente de l\u00e2mpadas fluorescentes, elas n\u00e3o cont\u00eam merc\u00fario. Diodos emissores de luz vermelha e verde estiveram conosco por quase meio s\u00e9culo, mas luz azul era necess\u00e1ria para realmente revolucionar a tecnologia de ilumina\u00e7\u00e3o. Apenas a tr\u00edade de vermelho, verde e azul podem produzir a luz branca que ilumina o mundo para n\u00f3s. Apesar dos altos riscos e grandes esfor\u00e7os feitos na comunidade cient\u00edfica assim como na ind\u00fastria, a luz azul permaneceu um desafio por tr\u00eas d\u00e9cadas. 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 port\u00f5es se abriram para uma transforma\u00e7\u00e3o fundamental na tecnologia de ilumina\u00e7\u00e3o. L\u00e2mpadas incandescentes iluminaram o s\u00e9culo XX; o s\u00e9culo XXI ser\u00e1 iluminado por l\u00e2mpadas LED.<\/p>\n

Poupando energias e recursos <\/strong><\/p>\n

Um diodo emissor de luz consiste de v\u00e1rios materiais semicondutores em camadas. No LED, a eletricidade \u00e9 diretamente convertida em part\u00edculas de luz, f\u00f3tons, levando a ganhos em efici\u00eancia sobre outras fontes de luz onde a maior parte da eletricidade \u00e9 convertida em calor e apenas uma pequena parte em luz. Em l\u00e2mpadas incandescentes, assim como em l\u00e2mpadas hal\u00f3genas, a corrente el\u00e9trica \u00e9 usada para esquentar um filamento, fazendo-o brilhar. Em l\u00e2mpadas fluorescentes (previamente chamadas de l\u00e2mpadas de baixa energia, mas com o surgimento de l\u00e2mpadas LED esse r\u00f3tulo perdeu seu significado), uma descarga gasosa \u00e9 produzida, produzindo calor e luz. Assim, os novos LEDs necessitam de menos energia para emitir luz comparados \u00e0s fontes de luz antigas. Al\u00e9m disso, s\u00e3o constantemente aprimorados, tornando-se mais eficientes com maior fluxo luminoso (medido em l\u00famens) por unidade de for\u00e7a el\u00e9trica de entrada (medida em watts). O recorde mais recente \u00e9 de pouco mais de 300 l\u00famens\/watt, que pode ser comparado ao valor de 16 para l\u00e2mpadas comuns e em torno de 70 para l\u00e2mpadas fluorescentes. Como um quarto do consumo mundial de eletricidade adv\u00e9m de ilumina\u00e7\u00e3o, os energeticamente eficientes LEDs contribuem para poupar os recursos da Terra.<\/p>\n

LEDs tamb\u00e9m s\u00e3o mais duradouros do que outras l\u00e2mpadas. L\u00e2mpadas incandescentes tendem a durar 1.000 horas, j\u00e1 que o calor destr\u00f3i o filamento, enquanto l\u00e2mpadas fluorescentes geralmente duram em torno de 10.000 horas. LEDs podem durar at\u00e9 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 m\u00f3veis, computadores e qualquer equipamento eletr\u00f4nico moderno baseado em fen\u00f4menos qu\u00e2nticos. Um diodo emissor de luz consiste de v\u00e1rias camadas: uma camada tipo n com excesso de el\u00e9trons negativos, e uma camada tipo p com insufici\u00eancia de el\u00e9trons, tamb\u00e9m chamada de camada com excesso de buracos positivos.\u00a0 Entre elas h\u00e1 uma camada ativa, \u00e0 qual os el\u00e9trons negativos e os buracos positivos s\u00e3o empurrados quando voltagem el\u00e9trica \u00e9 aplicada ao semicondutor. Quando el\u00e9trons e buracos se encontram, eles recombinam, e luz \u00e9 produzida. O comprimento de onda da luz depende inteiramente do semicondutor; luz azul aparece no lado de ondas curtas do arco-\u00edris e pode ser produzida apenas em alguns materiais. O primeiro relat\u00f3rio de luz sendo emitida por um semicondutor foi feito em 1907 por Henry J. Round, um colega de Guglielmo Marconi, Laureado do Pr\u00eamio Nobel em 1909. Mais tarde, nas d\u00e9cadas de 1920 e 1930, na Uni\u00e3o Sovi\u00e9tica, Oleg V. Losev executou estudos cuidadosos sobre emiss\u00e3o de luz. Por\u00e9m, Round e Losev n\u00e3o tinham conhecimento suficiente para realmente entender o fen\u00f4meno. Levaria mais algumas d\u00e9cadas at\u00e9 que os pr\u00e9-requisitos para uma descri\u00e7\u00e3o te\u00f3rica desta ent\u00e3o chamada eletroluminesc\u00eancia fossem criados. O diodo emissor de luz vermelha foi inventado no fim da d\u00e9cada de 1950. Foi usado, por exemplo, em rel\u00f3gios digitais e calculadoras, ou como indicador de estado ligado\/desligado em v\u00e1rias aplica\u00e7\u00f5es. Nos est\u00e1gios iniciais ficou evidente que um diodo emissor de luz com comprimento de onda curto, consistindo de f\u00f3tons altamente energ\u00e9ticos – um diodo azul – seria necess\u00e1rio para criar luz branca. Muitos laborat\u00f3rios tentaram, mas sem sucesso.<\/p>\n

Desafiando conven\u00e7\u00f5es <\/strong><\/strong><\/p>\n

Os Laureados desafiaram verdades estabelecidas; eles trabalharam duro e tomaram riscos consider\u00e1veis. Eles mesmos constru\u00edram seu equipamento, aprenderam a tecnologia, e executaram milhares de experimentos. Na maior parte dos casos eles falharam, mas n\u00e3o entraram em desespero; esta era a arte do laborat\u00f3rio em seu mais alto n\u00edvel. Nitreto de g\u00e1lio foi o material escolhido para tanto Akasaki quanto Amano e tamb\u00e9m para Nakamura, e eles finalmente foram bem-sucedidos em seus esfor\u00e7os, embora outros tenham falhado antes deles.\u00a0 Inicialmente, o material foi considerado apropriado para produzir luz azul, mas as dificuldades pr\u00e1ticas haviam se provado enormes. Ningu\u00e9m era capaz de desenvolver cristais de nitreto de g\u00e1lio de qualidade alta o suficiente, j\u00e1 que produzir uma superf\u00edcie adequada ao crescimento do cristal de nitreto de g\u00e1lio era visto como uma empreitada sem esperan\u00e7as. Al\u00e9m disso, era virtualmente imposs\u00edvel criar camadas tipo p neste material. Mesmo assim, Akasaki estava convencido por experi\u00eancia 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, tamb\u00e9m escolheu nitreto de g\u00e1lio antes da alternativa, seleneto de zinco, que outros consideravam um material mais promissor.<\/p>\n

Fiat lux <\/em>\u2013 fa\u00e7a-se a luz <\/strong><\/strong><\/p>\n

Em 1986, Akasaki e Amano foram os primeiros a serem bem-sucedidos em criar um cristal de nitreto de g\u00e1lio de alta qualidade colocando uma camada de nitreto de alum\u00ednio em um substrato de safira e ent\u00e3o desenvolvendo o nitreto de g\u00e1lio de alta qualidade sobre ela. Alguns anos depois, no fim da d\u00e9cada de 1980, eles fizeram uma descoberta em criar uma camada tipo p. Por coincid\u00eancia, Akasaki e Amano descobriram que o material estava brilhando mais intensamente quando era estudado em um microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico de varredura. Isso sugeriu que o feixe eletr\u00f4nico do microsc\u00f3pio estava tornando a camada tipo p mais eficiente. Em 1992 eles puderam apresentar seu primeiro diodo, emitindo uma brilhante luz azul. Nakamura come\u00e7ou a desenvolver o LED azul em 1988. Dois anos depois, ele tamb\u00e9m foi bem sucedido em criar nitreto de g\u00e1lio de alta qualidade. Ele encontrou sua pr\u00f3pria forma inteligente de criar o cristal, primeiro desenvolvendo uma fina camada de nitreto de g\u00e1lio em baixa temperatura, e desenvolvendo camadas subsequentes em alta temperatura. Nakamura tamb\u00e9m p\u00f4de explicar por que Akasaki e Amano foram bem-sucedidos com sua camada tipo p: o feixe eletr\u00f4nico removia o hidrog\u00eanio que evitava que a camada p se formasse. Por sua parte, Nakamura substituiu o feixe eletr\u00f4nico por um m\u00e9todo mais simples e barato: aquecendo o material, ele conseguiu criar uma camada tipo p funcional em 1992. Assim, as solu\u00e7\u00f5es de Nakamura foram diferentes das feitas por Akasaki e Amano. Durante a d\u00e9cada 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 g\u00e1lio usando alum\u00ednio ou \u00edndio, e a estrutura do LED tornou-se cada vez mais complexa. Akasaki, junto de Amano e tamb\u00e9m Nakamura, tamb\u00e9m inventaram um laser azul em que o LED azul, do tamanho de um gr\u00e3o de areia, \u00e9 um componente crucial. Contr\u00e1rio \u00e0 luz dispersa do LED, um laser azul emite um feixe afiadamente cortante.\u00a0 J\u00e1 que luz azul possui um comprimento de onda extremamente curto, pode ser comprimido muito mais; com luz azul, a mesma \u00e1rea pode armazenar quatro vezes mais informa\u00e7\u00e3o 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 dom\u00e9sticos tamb\u00e9m s\u00e3o equipados com LEDs. Eles brilham sua luz em telas de LCD em televisores, computadores e telefones m\u00f3veis, nos quais eles tamb\u00e9m fornecem uma l\u00e2mpada e flash para a c\u00e2mera.<\/p>\n

Uma brilhante revolu\u00e7\u00e3o <\/strong><\/strong><\/p>\n

As inven\u00e7\u00f5es dos Laureados revolucionaram o campo da tecnologia de ilumina\u00e7\u00e3o. L\u00e2mpadas novas, mais baratas, mais eficientes e mais inteligentes est\u00e3o sendo desenvolvidas todo o tempo. L\u00e2mpadas LED brancas podem ser produzidas de duas formas diferentes. Uma maneira \u00e9 usar a luz azul para excitar f\u00f3sforo, que ent\u00e3o brilha em vermelho e verde. Quando todas as cores se unem, luz branca \u00e9 produzida. A outra maneira \u00e9 construir a l\u00e2mpada com tr\u00eas LEDs, vermelho, verde e azul, e deixar que os olhos fa\u00e7am o trabalho de combinar tr\u00eas cores em branco. L\u00e2mpadas LED s\u00e3o dessa forma fontes de luz flex\u00edveis, j\u00e1 com v\u00e1rias aplica\u00e7\u00f5es no campo da ilumina\u00e7\u00e3o – milh\u00f5es de cores diferentes podem ser produzidas; as cores e a intensidade podem ser variadas conforme necess\u00e1rio. Pain\u00e9is luminosos coloridos, com v\u00e1rias centenas de metros quadrados de tamanho, piscam, mudam de cor e padr\u00f5es. E tudo pode ser controlado por computadores. A possibilidade de controlar a cor da luz tamb\u00e9m implica que l\u00e2mpadas LED podem reproduzir as alterna\u00e7\u00f5es de luz natural ou seguir nosso rel\u00f3gio biol\u00f3gico. Cultivo em estufas usando ilumina\u00e7\u00e3o artificial j\u00e1 \u00e9 uma realidade. A l\u00e2mpada LED tamb\u00e9m traz grandes promessas quanto \u00e0 possibilidade de aumentar a qualidade de vida para mais de 1,5 bilh\u00f5es de pessoas que atualmente n\u00e3o possuem acesso \u00e0s redes de eletricidade, j\u00e1 que os requisitos baixos de energia implicam que a l\u00e2mpada pode ser alimentada por energia solar local barata. Al\u00e9m disso, \u00e1gua polu\u00edda pode ser esterilizada usando LEDs ultravioleta, uma elabora\u00e7\u00e3o subsequente ao LED azul. A inven\u00e7\u00e3o do LED azul tem apenas vinte anos de idade, mas j\u00e1 contribuiu na cria\u00e7\u00e3o de luz branca de uma forma completamente nova, para o benef\u00edcio de todos.<\/p>\n

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