Científicos colombianos quieren cambiar la forma como se ilumina el mundo

Al revisar el listado de proyectos que se llevaron el Premio Nacional Alejandro Ángel Escobar 2018, uno de los más reconocidos de ciencia nacional, que ganó en la categoría de Ciencias exactas, físicas y naturales suena un poco confuso: “Método para fabricar una película delgada que consiste en un cristal coloidal infiltrado con el polímero luminiscente MDMO-PPV hecho de esferas de sílice (SiO2), que tiene un sistema cúbico centrado en la cara (FCC)”.

Pero una vez uno entra a comprender el trabajo que realizaron Juan Carlos Salcedo, Henry Méndez y Luis Camilo Jiménez, profesores del departamento de Física de la Universidad Javeriana, se da cuenta de que se trata de una innovación fascinante, que les tomó años y superó varias barreras de la ciencia colombiana. Un trabajo de perseverancia que, al final, les permitió emitir luz modificando un dispositivo orgánico (OLED) con 30 % más eficiencia, pues emite más radiación y consume menos energía eléctrica. El dispositivo orgánico que funciona con base en moléculas y enlaces de carbono es básicamente un plástico conductor de corriente.

El grupo de investigación en el que trabajan los tres, el de Películas delgadas y Nanofotónica de la Javeriana, fue creado en 1983 y, desde entonces, vienen trabajando en distintas líneas. Entre ellas, quizá las más innovadoras, son las de semiconductores orgánicos y cristales fotónicos. La primera fue un aporte que trajo consigo Méndez después de hacer su doctorado en Alemania, mientras lo segundo lo puso Salcedo tras su posdoctorado en la Universidad de Texas (Dallas). Y al atreverse por primera vez en Colombia a mezclar ambos mundos, más el conocimiento que venía acumulando Jiménez desde que se fundó el laboratorio, fue que lograron crear el dispositivo OLED modificado que, además, ya fue patentado en Estados Unidos. Pero, claro, para entender qué fue exactamente lo que lograron hay que desglosar todo el proceso.

Tal vez la primera pregunta que viene a la mente es qué es una película delgada. Aunque para los fanáticos de la tecnología es una palabra común, a los demás puede sorprenderles que se trata de una especie de unidad básica con la que funcionan los dispositivos tecnológicos desde hace mucho tiempo. Son capas de material sólido, de espesor diminuto, en el rango incluso de los nanómetros (millonésimas de milímetro), que cumplen varias funciones: algunas inyectan electrones (partículas de carga negativa que fluyen formando una corriente), otras los transportan, inyectan huecos (partículas de carga positiva), absorben o emiten luz, etc. Al ir juntando capas de películas con distintos materiales, una sobre otra, como en una especie de sánduche, se puede lograr un dispositivo emisor de luz.

En 2011, partiendo de cálculos teóricos, estos tres científicos colombianos tuvieron la sospecha de que si entre estas capas mezclaban semiconductores orgánicos y cristales fotónicos se dispersaría menos luz en el dispositivo, se perdería menos radiación entre las “capas del sánduche” y, por ende, se tendría un OLED más eficiente capaz de emitir más luz con menos energía. ¿Por qué?

Según explica el profesor Salcedo, por mucho tiempo los semiconductores (aquellos materiales cuya resistencia eléctrica depende de condiciones externas) se hacían exclusivamente de materiales inorgánicos. Los más populares, por ejemplo, son silicio, arseniuro de galio y seleniuro de cadmio. Incluso se creía que las moléculas orgánicas, en cuya estructura hay carbono, no tenían esta cualidad. Pero hacia los años 90 hubo un punto de quiebre: se encontró que las moléculas orgánicas también tenían propiedades semiconductoras, con la ventaja de que permitían la flexibilidad de las películas e incluso emitir luz de diferentes colores. Así los científicos colombianos usaron el prototipo modelo de dispositivo emisor de luz que, por partir de semiconductores orgánicos, se conoce como OLED (del inglés, organic light-emitting diode).

Sin embargo, intuyeron que si entre la capa emisora de luz agregaban cristales coloidales, la eficiencia se incrementaría. “Los cristales coloidales son un caso particular de cristal fotónico que tienen propiedades ópticas anómalas. Es decir, que la forma en que la luz se propaga a través de ellos tiene propiedades completamente diferentes a como se propaga en un medio ‘tradicional’, debido a un ordenamiento en la estructura”, explica Salcedo. Esto, en palabras sencillas, garantiza un efecto parecido al que tiene una lupa con la luz solar: concentra la energía luminosa en un solo punto, evitando que “se reabsorba entre las capas del sánduche”.

El problema era que hasta ese momento estaban hablando solo de teoría y pasaron tres años hasta que lograron ingeniar un método para lograr encajar estas capas. El método, una especie de guía de cómo se podía crear este dispositivo, fue patentado ante la Superintendencia de Industria y Comercio en 2014, lo que atrajo la atención de investigadores de la Universidad de Oxford y el reto de cómo crear, en “la vida real”, un dispositivo con estas propiedades.

“La Oficina de Innovación de la Vicerrectoría de Investigación de la Javeriana y la Fundación para el Fomento de la Investigación del Banco de la República financiaron el proyecto y nos pusimos en la tarea de ver cómo fabricar el dispositivo OLED modificado con un cristal coloidal y demostrar que, efectivamente, era 30 % más eficiente”, continúa.

Pero la primera barrera que se encontraron fue que, incluso a escala mundial, no hay pleno acuerdo sobre cómo medir la eficiencia de un OLED. “Para el caso de los dispositivos lumínicos, más potencia radiante no necesariamente significa más luminosidad, porque puede suceder que el dispositivo emita radiación que el ojo humano no percibe”, aclara Salcedo. Así que de forma paralela los tres científicos tuvieron que desarrollar el dispositivo OLED modificado y llevar a cabo un proyecto con el Instituto Nacional de Metrología, para medir su eficiencia.

La ciencia, dicen, lleva tiempo y solo en 2017, después de muchos ires y venires, lograron patentar, esta vez en Estados Unidos, el dispositivo OLED. Claro, con la garantía que presenta una mayor potencia óptica hasta del 33 %. Según la Fundación Alejandro Ángel Escobar: “No existe un desarrollo como este en el mundo y su potencial de aplicabilidad es incalculable”. Con estos OLED, por ejemplo, se pueden fabricar pantallas de infinitos colores, pantallas curvas, enrollables y livianas, así como de dimensiones gigantes a un menor costo. Ideas que hace una década parecían de ciencia ficción, pero que ahora empiezan a ser realizadas en un laboratorio nacional.

Al revisar el listado de proyectos que se llevaron el Premio Nacional Alejandro Ángel Escobar 2018, uno de los más reconocidos de ciencia nacional, que ganó en la categoría de Ciencias exactas, físicas y naturales suena un poco confuso: “Método para fabricar una película delgada que consiste en un cristal coloidal infiltrado con el polímero luminiscente MDMO-PPV hecho de esferas de sílice (SiO2), que tiene un sistema cúbico centrado en la cara (FCC)”.

Pero una vez uno entra a comprender el trabajo que realizaron Juan Carlos Salcedo, Henry Méndez y Luis Camilo Jiménez, profesores del departamento de Física de la Universidad Javeriana, se da cuenta de que se trata de una innovación fascinante, que les tomó años y superó varias barreras de la ciencia colombiana. Un trabajo de perseverancia que, al final, les permitió emitir luz modificando un dispositivo orgánico (OLED) con 30 % más eficiencia, pues emite más radiación y consume menos energía eléctrica. El dispositivo orgánico que funciona con base en moléculas y enlaces de carbono es básicamente un plástico conductor de corriente.

El grupo de investigación en el que trabajan los tres, el de Películas delgadas y Nanofotónica de la Javeriana, fue creado en 1983 y, desde entonces, vienen trabajando en distintas líneas. Entre ellas, quizá las más innovadoras, son las de semiconductores orgánicos y cristales fotónicos. La primera fue un aporte que trajo consigo Méndez después de hacer su doctorado en Alemania, mientras lo segundo lo puso Salcedo tras su posdoctorado en la Universidad de Texas (Dallas). Y al atreverse por primera vez en Colombia a mezclar ambos mundos, más el conocimiento que venía acumulando Jiménez desde que se fundó el laboratorio, fue que lograron crear el dispositivo OLED modificado que, además, ya fue patentado en Estados Unidos. Pero, claro, para entender qué fue exactamente lo que lograron hay que desglosar todo el proceso.

Tal vez la primera pregunta que viene a la mente es qué es una película delgada. Aunque para los fanáticos de la tecnología es una palabra común, a los demás puede sorprenderles que se trata de una especie de unidad básica con la que funcionan los dispositivos tecnológicos desde hace mucho tiempo. Son capas de material sólido, de espesor diminuto, en el rango incluso de los nanómetros (millonésimas de milímetro), que cumplen varias funciones: algunas inyectan electrones (partículas de carga negativa que fluyen formando una corriente), otras los transportan, inyectan huecos (partículas de carga positiva), absorben o emiten luz, etc. Al ir juntando capas de películas con distintos materiales, una sobre otra, como en una especie de sánduche, se puede lograr un dispositivo emisor de luz.

En 2011, partiendo de cálculos teóricos, estos tres científicos colombianos tuvieron la sospecha de que si entre estas capas mezclaban semiconductores orgánicos y cristales fotónicos se dispersaría menos luz en el dispositivo, se perdería menos radiación entre las “capas del sánduche” y, por ende, se tendría un OLED más eficiente capaz de emitir más luz con menos energía. ¿Por qué?

Según explica el profesor Salcedo, por mucho tiempo los semiconductores (aquellos materiales cuya resistencia eléctrica depende de condiciones externas) se hacían exclusivamente de materiales inorgánicos. Los más populares, por ejemplo, son silicio, arseniuro de galio y seleniuro de cadmio. Incluso se creía que las moléculas orgánicas, en cuya estructura hay carbono, no tenían esta cualidad. Pero hacia los años 90 hubo un punto de quiebre: se encontró que las moléculas orgánicas también tenían propiedades semiconductoras, con la ventaja de que permitían la flexibilidad de las películas e incluso emitir luz de diferentes colores. Así los científicos colombianos usaron el prototipo modelo de dispositivo emisor de luz que, por partir de semiconductores orgánicos, se conoce como OLED (del inglés, organic light-emitting diode).

Sin embargo, intuyeron que si entre la capa emisora de luz agregaban cristales coloidales, la eficiencia se incrementaría. “Los cristales coloidales son un caso particular de cristal fotónico que tienen propiedades ópticas anómalas. Es decir, que la forma en que la luz se propaga a través de ellos tiene propiedades completamente diferentes a como se propaga en un medio ‘tradicional’, debido a un ordenamiento en la estructura”, explica Salcedo. Esto, en palabras sencillas, garantiza un efecto parecido al que tiene una lupa con la luz solar: concentra la energía luminosa en un solo punto, evitando que “se reabsorba entre las capas del sánduche”.

El problema era que hasta ese momento estaban hablando solo de teoría y pasaron tres años hasta que lograron ingeniar un método para lograr encajar estas capas. El método, una especie de guía de cómo se podía crear este dispositivo, fue patentado ante la Superintendencia de Industria y Comercio en 2014, lo que atrajo la atención de investigadores de la Universidad de Oxford y el reto de cómo crear, en “la vida real”, un dispositivo con estas propiedades.

“La Oficina de Innovación de la Vicerrectoría de Investigación de la Javeriana y la Fundación para el Fomento de la Investigación del Banco de la República financiaron el proyecto y nos pusimos en la tarea de ver cómo fabricar el dispositivo OLED modificado con un cristal coloidal y demostrar que, efectivamente, era 30 % más eficiente”, continúa.

Pero la primera barrera que se encontraron fue que, incluso a escala mundial, no hay pleno acuerdo sobre cómo medir la eficiencia de un OLED. “Para el caso de los dispositivos lumínicos, más potencia radiante no necesariamente significa más luminosidad, porque puede suceder que el dispositivo emita radiación que el ojo humano no percibe”, aclara Salcedo. Así que de forma paralela los tres científicos tuvieron que desarrollar el dispositivo OLED modificado y llevar a cabo un proyecto con el Instituto Nacional de Metrología, para medir su eficiencia.

La ciencia, dicen, lleva tiempo y solo en 2017, después de muchos ires y venires, lograron patentar, esta vez en Estados Unidos, el dispositivo OLED. Claro, con la garantía que presenta una mayor potencia óptica hasta del 33 %. Según la Fundación Alejandro Ángel Escobar: “No existe un desarrollo como este en el mundo y su potencial de aplicabilidad es incalculable”. Con estos OLED, por ejemplo, se pueden fabricar pantallas de infinitos colores, pantallas curvas, enrollables y livianas, así como de dimensiones gigantes a un menor costo. Ideas que hace una década parecían de ciencia ficción, pero que ahora empiezan a ser realizadas en un laboratorio nacional.