Luz blanca

Por Martín Bonfil Olivera
Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM
Publicado en Milenio Diario, 22 de octubre  de 2014

En una hoguera, una antorcha o una vela, la combustión del los compuestos de carbono e hidrógeno (celulosa de la madera, parafina) libera energía en forma de calor, principalmente, y también de luz: fotones. Es una forma de obtener iluminación, pero de forma muy ineficiente, y con humo y cenizas.

En el foco incandescente, inventado por el británico Joseph Swan en 1850, y perfeccionado y comercializado por Edison en 1879, el paso de una corriente eléctrica por un filamento al vacío lo calienta sin quemarlo hasta el punto en que se pone incandescente: emite luz, aunque la mayor parte de la energía aún se transforma en calor. Además, el filamento termina por fundirse, haciendo que haya que reemplazar los focos con frecuencia.

Las lámparas fluorescentes, como los focos ahorradores hoy tan de moda, reducen el uso de electricidad mediante otro proceso. La corriente eléctrica, al pasar por el vapor de mercurio de su interior, hace que éste emita luz ultravioleta. A su vez, ésta estimula una sustancia que recubre la parte interna del tubo, y que es fluorescente, es decir, emite fotones de luz visible, sin calentarse, al ser iluminada con luz ultravioleta. Estas lámparas gastan unas cinco veces menos energía que las incandescentes para producir la misma cantidad de luz. Desgraciadamente, tienen el inconveniente de contener mercurio, un metal tóxico, así que aunque gastan menos energía y duran unas diez veces más que un foco incandescente, son una solución problemática.

Para lograr una verdadera revolución se necesitaba otra tecnología. Ésta surgió cuando en los años sesenta se inventó el diodo emisor de luz, o led, por sus siglas en inglés: los bien conocidos “foquitos” que aparecen en todos los aparatos electrónicos. Los primeros emitían luz infrarroja; todavía se usan en controles remotos. En 1962, el estadounidense de ascendencia rusa Nick Holonyak inventó los leds rojos, que para finales de la década se comenzaron a vender comercialmente (curiosamente, fabricados por la empresa química Monsanto). Su funcionamiento se basa en la electroluminiscencia, descubierta en 1907, fenómeno mediante el cual algunos materiales emiten luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de ellos.

En el caso concreto de los leds, se trata de dos capas de materiales semiconductores, como los que forman a los transistores, una de las cuales tiene un exceso de electrones, y la otra tiene deficiencia de los mismos (se dice que tiene “huecos de electrones”). Al aplicar la corriente, los electrones pasan de una capa a la otra (o los electrones y los huecos se “combinan”) y, gracias a la composición química del material (normalmente sales del metal galio: arseniuro, nitruro, fosfuro…) se emiten fotones.

Con los años, el costo de los leds fue disminuyendo, y su rendimiento y brillo aumentaron. Quizá recuerde usted aquellos primeros relojes electrónicos con pantallas de leds r
ojos.

Los leds son altamente eficientes: usan 20 veces menos electricidad que un foco incandescente, y cuatro veces menos que uno fluorescente, para producir la misma cantidad de luz. Y duran, respectivamente, 100 y 10 veces más. Tomando en cuenta que el 25 por ciento de la energía eléctrica en el mundo se gasta en iluminación (y mucha de ella se desperdicia produciendo calor), y que los leds no contienen mercurio, era claro que urgía ampliar su uso.

Para los años ochenta había también leds verdes (y de otros colores, como amarillo y naranja), que comenzaron a sustituir a los focos incandescentes en muchas aplicaciones (luces de alto en coches, semáforos). Pero no se había podido producir un led azul con buena eficiencia y costo. Y se necesitaba luz azul para, combinándola con la roja y la verde, producir luz blanca. Sólo así los leds podrían sustituir a los focos incandescentes y fluorescentes en todos los usos.

La dificultad para fabricarlos consiste en que las capas de nitruro de galio que los forman deben tener una estructura cristalina (átomos acomodados ordenadamente) muy precisa y sin fallas; pero para producir las capas con exceso de electrones y con huecos, hay que introducir impurezas; esto echaba a perder el cristal.

El gran logro de los japoneses Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, y el estadounidense Shuji Nakamura fue desarrollar procesos para obtener los deseados cristales semiconductores de nitruro de galio. Hace dos semanas se les otorgó el premio Nobel de física “por inventar diodos emisores de luz azules eficientes, que nos han permitido tener fuentes de luz blanca brillantes y que ahorran energía”.

Sin la menor duda, un logro luminoso.

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Contacto: mbonfil@unam.mx

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