Aquellos que circulamos en automóvil frecuentemente hemos advertido, ya desde hace años, que muchas de las luces del ambiente urbano son producidas por lámparas diferentes. Las luces traseras de los coches, las de los semáforos, las de muchos paneles indicadores... están formados por pequeños píxeles de luz.

Por no decir los televisores, que han substituido los enormes y pesados tubos de rayos catódicos por pantallas planas, de tamaño creciente y grosor decreciente... hasta el punto que casi no encontraremos una vivienda con los ya arcaicos televisores tradicionales. Además, la publicidad nos advierte sin cesar que el sistema de iluminación de esas pantallas es nuevo.

¿Por qué, el cambio? ¿Hay detrás algún avance tecnológico importante, o es una simple moda?.

Probablemente muchos de vosotros sabréis que estos nuevos sistemas de iluminación son LEDs, o se basan en los LEDs y algún elemento mas. Los LED son diodos emisores de luz, es decir, dispositivos que conducen la electricidad cuando la corriente circula en un sentido, pero no en el sentido contrario, y en este proceso además emiten luz.

Esta emisión de luz no es por calentamiento causado por la corriente eléctrica, sino que es selectiva, puesto que la corriente induce un salto energético de electrones del material que constituye el LED. Además, el intervalo de longitudes de onda que se emiten es estrecho. Por ello, la emisión de luz mediante este fenómeno se denomina electroluminiscencia. Un hecho importante es que... !las luces LED no se calientan¡ !Qué contraste, con las bombillas incandescentes¡. Después veremos que esta emisión fría de luz es una de las claves en la mejor eficiencia de los LED.

Dicho sea de paso, un diodo es el dispositivo por excelencia de los circuitos electrónicos, y sus posibilidades de miniaturización han permitido la revolución de la microelectrónica, durante la segunda mitad del siglo XX.

Unos cuantos LED, de tantos colores como para cubrir toda la paleta cromática, y poder así utilizarse en cualquier sistema de iluminación.

Semiconductores... !dopados¡

Volvamos a los LED. La clave de su funcionamiento es la composición. Imaginemos una fina y diminuta lámina, de micrómetros de espesor, compuesta de elementos como Silicio (cuyo símbolo químico es Si) o otros elementos de la familia (Germanio es el más importante), que se conocen como semiconductores, substancias que conducen algo la electricidad, pero bastante menos que los metales.

La lámina se divide en dos mitades. Una se bombardea con elementos como el Fósforo (símbolo P), o otros elementos de su família (Nitrógeno, Arsénico), que para aclararnos la llamaremos mitad SiP, de Silicio con Fósforo. Este bombardeo no es muy numeroso, pues incorpora fósforo en silicio, en una proporción de un P por cada diez mil millones de Si. Mientras, en la otra mitad se incorporan al Silicio elementos como Aluminio (Al), o Galio, que llamaremos mitad SiAl.

Al proceso de incorporar elementos nuevos a la base de Silicio o Germanio se denomina dopaje. Curioso nombre, que en realidad tiene cierta relación con el dopaje deportivo, puesto que este proceso incrementa la facilidad para conducir la electricidad y, en último término, la posibilidad de emitir luz. Más concretamente, la combinación de dopajes en las dos mitades SiP y SiAl provoca que, al aplicar corriente, la frontera divisoria entre las dos mitades emita luz. Magnífico. Una mejora de rendimiento en la conducción eléctrica, legal eso sí, que permite emitir luz...

La razón que explica la emisión de luz es sofisticada. La aplicación de corriente provoca que electrónes de la mitad SiP viajen hacia la frontera divisoria, mientras que en la mitad SiAl cargas positivas viajan, en sentido contrario, también hacia la frontera. En ella, cada electrón de la mitad SiP pierde súbitamente energía y ocupa la zona de la carga positiva de la mitad SiAl. Esta pérdida se manifiesta en forma de luz, de un color que será rojo, amarillo, verde, azul... a medida que la pérdida de energía del electrón sea mayor.

Permitidme una descripción, de este fenómeno, en términos más técnicos. El funcionamiento detallado de un LED se basa en la conversión, en la frontera divisoria, de un electrón de la banda de conducción del semiconductor, en un electrón de un enlace covalente también del semiconductor.

Además, esa reconversión tiene lugar casi sin disipar energía en forma de calor... decimos, siempre con este lenguaje más técnico, que la energía liberada por el electrón se emite directamente como radiación electromagnética. Esta situación no se da normalmente, y de ahí que fuera tan difícil encontrar combinaciones de materiales, que permitieran que los LED emitieran luz en una región suficientemente amplia del espectro visible. La solución se basó en encontrar materiales que acumularan una gran cantidad de electrones en la frontera, desde la mitad SiP, y una gran cantidad de cargas positivas en la frontera, desde la mitad SiAl.

La ausencia de calor disipado es lo que permite que los LED permanezcan fríos mientras emiten luz. Os tengo que confesar que, después de varios años de tener lámparas LED en mi entorno, todavía acerco la mano para comprobar que no me quemo... y me continúa sorprendiendo que no pase nada. Mi intuición está tan condicionada por las bombillas incandescentes, que no puedo evitar continuar pensando que debería casi quemarme, o sin el casi, al tocar la lámpara. Es ésta la maravilla de la estimulación selectiva de los electrones.

Gracias a este hecho, los LED más recientes muestran un rendimiento de 150 lúmenes por watt, o incluso superior, y llegan fácilmente a las 30000 horas de duración. De ahí que los sistemas de iluminación, tanto públicos como privados, se estén gradualmente cambiando a LED. No sólo son más simples y duraderos, sino que ahorran una buena cantidad de energía y, por tanto, dinero. Sin embargo, parece que los LED atraen mucho más a los insectos, lo que ha levantado ciertas protestas, al temer por la disrupción de la cadena alimenticia natural.

El maldito azul

El desarrollo histórico de los LED es apasionante. El fenómeno básico de la electroluminiscencia, la emisión de luz al aplicar una corriente eléctrica, se produjo a inicios del siglo XX, y en los años 30 se realizó la primera propuesta práctica de LED, que se tradujo en los primeros mandos a distancia mediante radiación infrarroja, invisible, efectiva a corta distancia. No fue hasta los años sesenta del siglo XX cuando se empezó a utilizar a nivel práctico con luz visible, bastante tenue y exclusivamente de color rojo. Aquellos que tenemos una cierta edad recordamos bien este caso, pues las calculadoras Texas Instruments de los años 70 utilizaron estos primeros LED rojos, en las famosas matrices de siete segmentos para representar los diferentes números.

La rudimentaria pantalla de las calculadoras Texas Instruments de finales de los años 70.  Por sobria que parezca, a aquellos que tuvimos la oportunidad de usar una... nos parecía estar trabajando en la NASA, apoyando a la misión Apollo con nuestros cálculos...

Ni el color, sólo el rojo, ni la pequeña capacidad de iluminación de esas pequeñas "bombillitas" hacían presagiar la revolución en los sistemas de iluminación actual. No fue fácil conseguir producir luz, en un intervalo de longitudes de onda suficientemente amplio, como para llegar a producir luz blanca e intensa, el objetivo de toda fuente de iluminación útil. De hecho, durante los setenta y ochenta, los laboratorios consiguieron prácticamente todas las longitudes de onda visible, pero en propuestas que no permitían su aplicación práctica.

No fue hasta mediados de los noventa, que los japoneses Nakamura, Akasaki y Amano demostraron que era posible fabricar LEDs de luz azul e intensa. Al ser la luz visible de mayor energía, se completaba la gama cromática y se hacía posible la luz blanca. Tan importante fue este descubrimiento, que los tres investigadores fueron galardonados con el premio nobel de Física en 2006, por la propuesta práctica del LED azul.

Es curioso el paralelismo entre el desarrollo del LED azul, y el de los pigmentos azules en la pintura artística. Los pigmentos azules fueron los más difíciles de obtener, a finales de la edad media e inicios del renacimiento, con propiedades comparables, de aplicación y durabilidad, al resto de pigmentos. El pigmento más usado se obtenía del lapislázuli, también llamado en Europa "ultramarino", puesto que se importaba tanto de Asia como de América.  El desarrollo de las pinturas al óleo mostró dificultades con el azul, puesto que al mezclarlo con los aceites habituales perdía una buena parte de su espectacular tono azul. En ambos casos, pues, el azul ha sido el color que más se ha resistido para disponer de la paleta de colores completa... aunque con casi cinco siglos de diferencia.

Otro hecho muy relevante, referido a los LED, es su facilidad para construir el dispositivo, en tamaños cada vez más reducido. Ya hace tiempo que se producen en masa, a costes de menos de un céntimo de € por watt, y tamaños inferiores al milímetro. Es por este motivo que las pantallas de los televisores y los ordenadores han aumentado tanto su resolución. Si consideramos conjuntamente su eficiencia y su economía, vemos que los LED son a las bombillas incandescentes lo que los motores eléctricos son a los motores de combustión, aunque para estos últimos todavía no ha trascendido demasiado cuánto ganamos con su disponibilidad... queda pendiente para otro artículo, pues.

Lámparas LED ultravioletas y, por ello, germicidas

Los LED compuestos de Aluminio, Galio y Nitrógeno, en proporciones variables, han demostrado, recientemente, que pueden generar luz mucho más energética que la luz azul. De hecho, emiten a 265 nanómetros, energía que corresponde a la región Ultravioleta C, la fracción de mayor energía de esta zona del espectro electromagnético. Por este motivo, los LED UV–C pueden utilizarse contra agentes patógenos.

Se trata entonces de la alternativa tecnológica, que ha permitido prohibir a las lámparas de vapor de Mercurio, de baja presión, que hasta la fecha se utilizaban como dispositivo germicida. De hecho, es una substitución por mejora, puesto que las lámparas LED UV–C son más efectivas, al ser más eficientes en la degradación del ADN de los patógenos. La razón es que la radiación más intensa que emiten estos LED coincide con la radiación que más absorbe el ADN.

Puntos Cuánticos

Supongamos que fabricamos pequeñas esferas de hierro, por ejemplo las que se utilizan para rodamientos, y que tan importantes resultan para que las ruedas giren alrededor de un eje, sin que el rozamiento las haga detener casi al instante. De esferas de acero para rodamientos existen de muchos tipos y tamaños. Su aspecto y función es el mismo, por mucho que este tamaño cambie. Las esferas más pequeñas, disponibles comercialmente, que se utilizan como rodamientos son de 0.25 milímetros de diámetro, y tienen aplicación en microrobótica. Lo que no se nos pasa por la cabeza es que un simple cambio en el diámetro de la esfera pueda modificar dráscticamente alguna propiedad importante del dispositivo.

Sin embargo, cuando llegamos a la nanoescala, es decir, unas mil veces menos que el rodamiento más pequeño, las cosas ya no son así. Por ejemplo, los colores que se muestran en la próxima imagen corresponden a la misma sustancia química. Tan cierto como contrario a la intuición, puesto que nuestro conocimiento de los colores de las sustancias, nos dice que para tener colores diferentes, necesitamos sustancias químicas diferentes. Y muchas veces, completamente diferentes. Y si no, que se lo digan a los artistas de la pintura renacentistas...

Recipientes que contienen soluciones de Seleniuro de Cadmio.  Microscópicamente, esta disolución está formada por esferas sólidas del compuesto, cuyo tamaño es muy homogéneo, y va creciendo además a medida que el color pasa del azul al rojo.

La fotografía, como os decía, muestra un buen ejemplo de lo que estamos comentando. Los diferentes recipientes contienen el mismo compuesto, una solución de Seleniuro de Cadmio, que químicamente se escribe CdSe, y que se encuentran en forma de diminutas esferas del mismo tamaño, tan pequeñas y en tanta cantidad que dan la apariencia de sustancia maciza.

Y sí, habéis leído bien, todos los recipientes contienen la misma sustancia. ¿Qué cambia, entonces? ¿Cómo puede ser que si la sustancia es la misma, los colores sean tan diferentes? Como ya os imaginaréis, es el tamaño de las "bolitas" que se han sintetizado del compuesto, lo que cambia.

El tamaño real de las esferas está indicado, en la figura, sobre cada lámpara. Vemos entonces que si las bolas de CdSe son de 2 nanómetros, la sustancia emite un potente tono azul. Si son de 3 nanómetros, verde-amarillo, y si son de 4.2 nanómetros, rojo–anaranjado. Y, a tamaños intermedios, colores intermedios entre los anteriores. Por tanto, un cambio gradual de tamaño provoca un cambio gradual de longitud de onda emitida por el material. A menor tamaño, menor longitud de onda.  Esta emisión puede darse por incidir sobre el material luz visible o ultravioleta, un ejemplo más de fluorescencia, o también tiene lugar la emisión por aplicación de corriente eléctrica, como en el caso de los LED, por electroluminiscencia.

El cambio en la longitud de onda emitida, con el tamaño de las esferas, no puede explicarse sin recurrir a la Física Cuántica, de ahí que a las pequeñas esferas que componen estos materiales, se las denomine puntos cuánticos.

Os doy la explicación, pero soy muy consciente que se entenderá muy por encima. El tamaño tan diminuto de las esferas, que componen el material, obliga a que las energías de los electrones más exteriores del sólido tengan su energía cuantizada, de forma que no todas las energías son posibles, y que la diferencia en energía dependa del tamaño de la esfera: cuanto más pequeña es la esfera, mayor es el salto cuántico entre energías permitidas.

No se trata de una curiosidad de laboratorio. Los puntos cuánticos se fabrican hoy en día en grandes cantidades, puesto que su fabricación es condenadamente simple. Un adecuado control de las concentraciones, temperaturas y disolventes, permite fabricar esferas con mayúsculo control de su diámetro.

Por ello, ya han empezado a usarse, junto a los LED, en las pantallas planas de los televisores de última generación. La miniaturización y robustez que prometen estos puntos cuánticos mágicos nos llevará, seguro, a situaciones insospechadas e inimaginables, por lo que se refiere a la iluminación y a la imagen.

Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, de la Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente. Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

En este blog exploro la química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También realizo pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer.

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