O incrível poder dos LEDs azuis

Muitos estádios e casas de show do mundo hoje estão inundando seu espaço com luz azul proporcionada pelos diodos emissores de luz (LEDs). Mas não há muito tempo, LEDs azuis suficientemente potentes com luminância com capacidade de iluminar uma superfície eram componentes eletrônicos escandalosamente avançados. LEDs brilhantes que emitem luz azul só foram inventados na década de 1990 e os cientistas que criaram a tecnologia receberam mais tarde o Prêmio Nobel. Nas décadas de 1970 e 1980, porém, os LEDs eram rotineiramente descartados como ineficazes e só eram aplicados como sinalizadores de circuitos eletrônicos.

O LED de fato, foi uma dessas tecnologias subestimadas por muito tempo, porque ninguém via potencial de iluminação neles. Os pesquisadores dizem que os LEDs poderiam ser ainda mais baratos e mais eficientes em termos energéticos do que são hoje se a indústria eletrônica tivesse dado a devida atenção a eles. Eles poderiam revolucionar tudo, desde iluminação externa até fones de ouvido de realidade virtual.

Talvez o uso mais espetacular de LEDs seja no Las Vegas Sphere, inaugurado em julho do ano passado. Milhões de LEDs podem transformar o exterior em praticamente qualquer padrão ou imagem que você possa imaginar e iluminar enormes telas internas.

Lembro-me que olhávamos aos pequenos componentes coloridos na bancada pensando que esta pequena luz de brinquedo não poderia fazer algo útil. Essas fontes de luz de fraca emissão eram adequadas apenas para uma pequena luz indicadora vermelha ou um controle remoto infravermelho de TV.

Isso mudou quando os engenheiros conseguiram produzir LEDs que emitiam muito mais fótons, ou luz, do que antes. Os LEDs emitem luz quando os elétrons -partículas carregadas negativamente- dentro do dispositivo passam de um estado de energia mais alto para um mais baixo. Este processo libera energia na forma de luz. Usando materiais diferentes, é possível ajustar o tamanho da gota (conhecida como banda proibida) e o comprimento de onda, ou cor, da luz emitida.

O azul era particularmente complicado porque o principal material necessário para essa tonalidade, o nitreto de gálio, era difícil de fabricar sem mostrar uma miríade de defeitos. Mas o azul é uma cor poderosa e de energia muito alta, portanto os LEDs azuis podem ser usados como base para todas as outras cores em alguns monitores de TV, por exemplo. Em cada pixel são usados três LEDs azuis, mas dois são filtrados ou ajustados para produzir os tons vermelho e verde.

Os LEDs azuis também são normalmente a fonte de luzes brancas. A luz azul é ajustada apenas com materiais chamados fósforos. E, no entanto, uma tecnologia LED completamente nova está à espera porque os cientistas dizem que esta tecnologia pode ser ainda mais eficiente.

Dan Congreve e colegas da Universidade de Stanford estão trabalhando em LEDs feitos com cristais de perovskita, um material frequentemente usado em células solares. As perovskitas são baratas e fáceis de fazer. Elas são ajustáveis à cor desejada e podem até ser misturadas em uma solução e depois pintados em superfícies como camadas emissoras de luz. No entanto, é difícil fazer com que os LEDs de perovskita permaneçam estáveis. Eles continuam estourando.

Se conseguirem superar esses problemas, os LEDs de perovskita poderão ser utilizados em uma ampla variedade de dispositivos, já que para tecnologias como a realidade virtual e a realidade aumentada, precisamos de LEDs extremamente brilhantes para ver as imagens com clareza.

Mas os atuais monitores OLED não são suficientemente brilhantes, por isso é necessário o desenvolvimento de micro LEDs, LEDs individuais em vermelho, verde ou azul, que tenham um tamanho significativamente inferior a 20 mícrons, menos de um terço da espessura de um fio de cabelo humano.

Os LEDs estão se tornado rapidamente onipresentes, mas o seu desenvolvimento tecnológico está longe de estar completo. Mas nada disso seria possível se os professores Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura não tivessem fabricado os primeiros LEDs azuis no início da década de 1990. Invento que lhes rendeu o Nobel de física em 2014. Foi isso que permitiu uma nova geração de lâmpadas brancas brilhantes e energeticamente eficientes, bem como telas LED coloridas.

Sem eles, as três cores não poderiam ser misturadas para produzir a luz branca que vemos agora em computadores e telas de TV baseados em LED. Além disso, a luz azul de alta energia foi usada para excitar o fósforo e produzir diretamente luz branca, a base nova geração de lâmpadas econômicas e de alto rendimento.

Dica do amigo Zé Roberto Isabella, o seguinte vídeo mostra como O LED azul era algo impossível, até que um jovem engenheiro propôs uma ideia ambiciosa. Nele, Derek Muller, do canal do Youtube Veritasium, explica por que as luzes LED vermelhas e verdes eram relativamente simples de fazer, mas o LED azul ainda permanecia bastante evasivo. Na verdade, o vermelho e o verde já eram usados há anos antes do pesquisador japonês Shuji Nakamura desbloquear a chave do LED azul diante da pressão crescente de seu empregador.

O nitreto de gálio foi o principal ingrediente utilizado pelos ganhadores do Nobel em seus inovadores LEDs azuis. O cultivo de cristais grandes o suficiente deste composto foi o obstáculo que impediu muitos outros pesquisadores de serem bem sucedidos. No entanto, os professores Isamu Akasaki, Hiroshi Amano conseguiram cultivá-los em 1986, quando trabalhavam na Universidade de Nagoya, no Japão, em uma estrutura especialmente projetada, feita parcialmente de safira.

Quatro anos depois, o professor Shuji Nakamura fez uma descoberta semelhante, enquanto trabalhava na empresa química Nichia. Em vez de um substrato especial, ele usou uma manipulação inteligente da temperatura para impulsionar o crescimento dos tão importantes cristais. O resto é história e muita luz azul.