Nobel per la fisica e “il colore mancante” per una svolta epocale nel mondo dell’illuminazione

LEDAssegnazione davvero significativa, anche perchè alla base di una autentica rivoluzione del settore illuminazione, “dalla luce elettrica alla luce elettronica”, quella del Premio Nobel per la fisica 2014, assegnato ad un trio di scienziati nippo-americani. Molto significativa la motivazione del premio da parte della Royal Swedish Academy of SciencesPer l’invenzione di diodi efficienti che emettono luce blu, che ha permesso lo sviluppo di sorgenti di luce bianca luminose ed energeticamente economiche” ai giapponesi Isamu Akasaki, della Meijo University e della Nagoya University e  Hiroshi Amano, della Nagoya University, e all’americano Shuji Nakamura, della University of California – Santa Barbara. Sono stati proprio gli sforzi dei tre scienziati, con la realizzazione dei led di colorazione blu, avvenuto all’inizio degli anni ’90, che, combinati con quelli rossi e verdi sviluppati trent’anni prima, hanno permesso l’emissione di luce bianca, brillante e continua, fondamentale per decretare la consacrazione della tecnologia LED nei settori illuminotecnici, automobilistico ed illuminazione esterna ed interna, dopo che per decenni il LED era stato applicato unicamente nel settore della segnalazione e strumentazione (vedi grafico seguente sulla evoluzione recente dell’illuminazione). Un segno fondamentale, oggi riscontrabile in tanti dispositivi di uso comune come, smartTV, smartphone, palmari, etc.

evoluzione_led

Una storia che viene da lontano quella del LED, acronimo di “Light Emitting Diode” (diodo ad emissione luminosa), cioè un diodo che, essendo costituito essenzialmente da una giunzione P-N polarizzata direttamente, emette una radiazione luminosa dovuta all’effetto di elettroluminescenza della giunzione. La scoperta del fenomeno risale infatti al 1923, quando Lossew scoprì che a seguito di una ricombinazione tra una lacuna ed un elettrone, si ha la formazione di una radiazione elettromagnetica, dovuta all’energia liberata durante tale fenomeno. Il fenomeno fu perfezionato ed applicato alla tecnologia LED nel 1962, mediante l’utilizzo di particolari semiconduttori, come l’arsenurio di Gallio (GaAs), da Nick Holonyak Jr, che ne ha fatto dispositivi optoelettronici. Una storia antica come l’umanità, quella della luce, iniziata con il fuoco delle caverne e caratterizzata, fino alla fine del diciannovesimo secolo, dall’unica sorgente di illuminazione rappresentata dalla combustione di olio o cera, fatta con torce, candele e lanterne. La prima grande rivoluzione della luce, avvenne nel 1878, quando Thomas Alva Edison riuscì a costruire il primo modello efficiente di lampadina a incandescenza, elaborando un’idea di Joseph Wilson Swan. Si trattava di un bulbo di vetro contenente un filamento di tungsteno ed in cui veniva praticato il vuoto. Il flusso di corrente elettrica nel filo, ne determina l’incandescenza per il cosiddetto “effetto Joule”, ed emettendo una luce giallastra.
Doveva passare oltre un secolo per arrivare alla seconda rivoluzione della luce, quella dalla luce elettrica alla luce elettronica innescata appena alcuni anni fa dalla tecnologia LED.
Un crescendo impressionante in termini di efficienza luminosa, misurata in lumen/watt, passando dagli 0,3 lumen/W di un candela, attraverso i circa 70 di una lampada ad incandescenza, per arrivare ai 300 della tecnologia LED. I led utilizzati nella strumentazione come segnalatori, avevano il classico colore. Come dispositivi optoelettronici, i LED sono costituiti da tre diversi strati:

  • lo strato n: che contiene elettroni;
  • lo strato p: con le lacune, cioè le portatrici di carica positiva;
  • uno “strato attivo” intermedio: costituito dal semiconduttore.

Applicando una tensione allo strato n e allo strato p, gli elettroni si combinano con le lacune ed emettono fotoni ed in sostanza, luce. La frequenza dei fotoni emessi, ovvero il colore della luce, dipende dal semiconduttore usato. Nella tabella seguente una elenco di semiconduttori impiegati nei LED, con il rispettivo colore prodotto.

colori

Mentre lo sviluppo di led rossi e verdi è stato relativamente semplice, molto più arduo è stato conseguire il led a luce blu. Oltre trenta anni sono stati impiegati per trovare il materiale giusto, un motivo più che sufficiente per ritenere la scoperta meritevole delWinners of the 2014 Nobel Prize in Physics premio Nobel. Akasaki, Amano e Nakamura hanno messo a punto, all’inizio degli anni novanta, un composto basato su cristalli di nitruro di gallio ad alta qualità che si sono, finalmente dimostrati in grado di emettere luce alla giusta frequenza giusta. Uno straordinario tassello mancante del blu che da piena coralità alla famiglia LED permettendone la combinazione con i led rossi e verdi che da origine a quella bella luce bianca brillante che da splendore e luce naturale sia ai nostri interni che alla nostra sicurezza stradale, assicurando un grande risparmio in bolletta ed un drastico allungamento della durata delle sorgenti luminose, anche di fino a 100 volte la durata delle vecchie lampade ad incandescenza. Una soluzione che permetterà, secondo gli esperti di Stoccolma della commissione del Nobel, di portare gradualmente l’illuminazione anche nelle zone del mondo meno servite dall’elettricità e più remote del pianeta, vista la possibilità di essere alimentate in bassissima tensione ed in corrente continua, con ottima integrazione, per esempio con il fotovoltaico. Tornando ai tre grandi artefici di questa grande ed epocale scoperta, da rilevarne l’ampio ventaglio anagrafico, a conferma della lunga strada percorso, visto che Akasaki, è un ultraottantenne, essendo nato nel 1929, Nakamura, è un sessantenne, essendo nato nel 1954, mentre il più giovane dei tre è Amano, che è nato nel 1960. Una svolta epocale davvero quella del LED per illuminare, che abbatte uno degli ultimi muri, consacrando microelettronica ed informatica, in un settore dove ci sono praterie di miglioramenti da conseguire, con enormi risparmi, grande incremento in termini di qualità della luce, drastico abbattimento dell’inquinamento luminoso ed aumento della sicurezza sia stradale che della persona relativamente alla illuminazione esterna, data la grandissima adattabilità della tecnologia LED sia con i sistemi di videosorveglianza che con le possibilità di modulazione della luce in funzione dei flussi di traffico.

A seguire un servizio del canale web di ANSA che documenta l’assegnazione del Nobel per la fisica 2014

Sauro Secci

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