Il nuovo tipo di lampadina a LED un giorno potrebbe illuminare le case riducendo le bollette. Stuart (Shizhuo) Yin, professore d’ingegneria elettrica presso la Penn State, ha detto:
«Le lampadine a LED svolgono un ruolo chiave nell’energia pulita. L’efficienza complessiva dei LED commerciali in questo momento è solo del 50% circa, una delle maggiori sfide è come migliorare la cosiddetta efficienza dell’estrazione della luce dei LED. La nostra ricerca si concentra su come ottenere la luce dal LED».
Lucciole e LED devono affrontare sfide simili nel rilasciare la luce che producono, perché la luce può riflettersi all’indietro e disperdersi. La soluzione per i LED è di strutturare la superficie con microstrutture – proiezioni microscopiche – che consentono una maggiore quantità di luce: nella maggior parte dei LED queste proiezioni sono simmetriche, con pendenze identiche su ogni lato; anche la lanterna (l’organo bioluminescente) della lucciola ha queste microstrutture, ma con lati asimmetrici che s’inclinano ad angoli diversi, dando un aspetto asimmetrico.
Chang-Jiang Chen, dottorando in ingegneria elettrica, autore principale dello studio, ha detto:
«Nello studio in seguito ho notato che non solo le lucciole hanno queste microstrutture asimmetriche sulle loro lanterne, ma anche il Lucihormetica luckae, una specie di scarafaggio gigante dell’Ecuador, ha strutture simili nelle zone luminescenti. E’ qui che ho cercato di approfondire lo studio dell’efficienza dell’estrazione della luce utilizzando strutture asimmetriche».
Il team utilizzando piramidi asimmetriche per creare superfici microstrutturate, ha scoperto che potrebbe migliorare l’efficienza di estrazione della luce fino a circa il 90%.
Stuart (Shizhuo) Yin, ha aggiunto:
«Le microstrutture asimmetriche aumentano l’estrazione della luce in due modi:
– in primo luogo, la maggiore superficie delle piramidi asimmetriche permette una maggiore interazione della luce con la superficie, in modo da intrappolare meno luce;
– in secondo luogo, quando la luce colpisce le due diverse pendenze delle piramidi asimmetriche, c’è un maggiore effetto di randomizzazione dei riflessi, dà alla luce una seconda possibilità di espansione»
I ricercatori dopo che hanno utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che la superficie asimmetrica potrebbe teoricamente migliorare la resa luminosa, l’hanno dimostrato sperimentalmente. Il team utilizzando la stampa 3D su scala nanometrica, ha creato superfici simmetriche e asimmetriche e ha misurato la quantità di luce emessa. La superficie asimmetrica come previsto ha permesso il rilascio di più luce.
Il mercato dell’illuminazione a LED sta crescendo rapidamente con l’aumento della domanda di energia pulita, si stima che entro il 2024 raggiungerà gli 85 miliardi di dollari. Stuart (Shizhuo) Yin ha detto:
«I LED dieci anni fa nei negozi Walmart o Lowes erano una parte esigua del parco luci, ora la maggior parte della gente compra i LED».
I LED sono più rispettosi dell’ambiente delle tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti perché sono più durature e più efficienti dal punto di vista energetico. L’efficienza complessiva dei LED è determinata da due fattori:
– il primo fattore è la produzione di luce – l’efficienza quantistica – gli scienziati la misurano utilizzando quanti elettroni si convertono in luce quando l’energia passa attraverso il materiale LED. Hanno già ottimizzato questa parte dei LED commerciali;
– il secondo fattore consiste nel far uscire la luce dai LED, la cosiddetta efficienza di estrazione della luce.
Stuart (Shizhuo) Yin in conclusione ha detto:
«Gli altri elementi che possiamo migliore in termini di efficienza quantistica sono limitati, ma c’è molto margine per migliorare ulteriormente l’efficienza di estrazione della luce».
