Interpretazione del Premio Nobel per la fisica 2014: una rivoluzione dell'illuminazione nel XXI secolo

Il 7 ottobre 2014, ora di Pechino, è stato annunciato il Premio Nobel per la fisica. Due scienziati giapponesi e uno scienziato nippo-americano si sono divisi il premio Nobel per la fisica del 2014. Si tratta di Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, scienziati dell'Università di Nagoya in Giappone, e Shuji Nakamura, uno scienziato nippo-americano che ha lavorato presso la Nichia Chemicals e l'Università della California, Santa Barbara.

Come dimostra l'azienda Nichia Chemical, il premio Nobel per la fisica di quest'anno è legato ai diodi a emissione luminosa. Nichia Chemical è un'azienda con sede nella città di Tokushima, nella parte nord-orientale della regione di Shikoku in Giappone. Sviluppa principalmente nuove lampade LED ad alta efficienza e risparmio energetico. L'orientamento della ricerca di questi tre scienziati è rivolto ai diodi a emissione di luce blu, con l'obiettivo di consentire a tutta l'umanità di utilizzare più lampade LED a risparmio energetico.

Rispetto alle tradizionali fonti di luce artificiale, le luci LED richiedono meno energia per ottenere lo stesso effetto. Le luci LED ad alta efficienza e risparmio energetico contribuiscono a preservare le risorse della Terra.

I LED blu sono una fonte di luce ecologica. Gli scienziati giapponesi ritengono che il XXI secolo appartenga al mondo delle luci a LED, mentre il XX secolo a quello delle lampadine a incandescenza. Negli ultimi cinquant'anni circa, i LED rossi e verdi sono stati ampiamente utilizzati nei paesi e nelle regioni sviluppate come il Nord America, ma i LED blu rappresentano una tecnologia di illuminazione davvero rivoluzionaria.

Da decenni professionisti di tutto il mondo lavorano allo sviluppo di diodi a emissione di luce blu. Sebbene questa direzione di ricerca sia ad alto rischio, anche le ricompense sono enormi. Possiamo portare la tecnologia dell'illuminazione a nuovi livelli. È quindi naturale assegnare il premio Nobel per la fisica a tre scienziati che hanno dato contributi eccezionali in questo campo. I vincitori del premio Alfred Nobel dovrebbero guidare il progresso della civiltà umana. Questa tecnologia ci consente di avere fonti luminose più efficienti e durature.

Il principio di funzionamento dei diodi ad emissione luminosa. In alto a sinistra è rappresentato il principio di funzionamento del LED, mentre in basso è rappresentato il principio di funzionamento del LED blu.

I diodi a emissione luminosa sono costituiti da più strati di materiali semiconduttori. Secondo il principio di funzionamento delle lampade a LED, l'elettricità viene convertita in fotoni, il che equivale a migliorare l'efficienza luminosa rispetto ad altre fonti di luce. I sistemi di illuminazione tradizionali, come le lampade a incandescenza, convertono la maggior parte dell'energia elettrica in calore e solo una piccola quantità in fotoni. Ovviamente l'efficienza di conversione di tali sistemi di illuminazione è molto bassa.

Il principio di funzionamento delle lampade a incandescenza e delle lampade alogene si basa sul riscaldamento elettrico. Quando la corrente elettrica attraversa il filo metallico, questo si illumina e si spreca molta energia nel riscaldamento elettrico. Il principio delle lampade fluorescenti è diverso da quello delle lampade a incandescenza e delle lampade alogene. Generano luce e calore tramite scarica di gas e la loro perdita di energia è inferiore a quella delle lampade a incandescenza. Per questo motivo vengono anche chiamate lampadine a basso consumo energetico. Tuttavia, dopo l'avvento delle lampade a LED, le "lampadine a basso consumo energetico" non sembrano più appartenere alle lampade fluorescenti.

La nuova tecnologia delle lampade a LED richiede meno energia e rilascia una fonte di luce più potente, almeno si avrà un miglioramento significativo nel tasso di conversione. Quasi un quarto dell'elettricità consumata nel mondo è destinata all'illuminazione. Se si utilizzano esclusivamente lampade a LED ad alta efficienza e a risparmio energetico, si possono risparmiare le risorse della Terra e il risvolto positivo in termini economici è molto evidente. Le lampade a LED non sono solo durevoli, ma anche più efficienti. Solitamente la durata utile delle lampade a incandescenza è di 1.000 ore. Trascorso questo periodo, il filamento si brucia e la durata di accensione delle lampade fluorescenti è di 10.000 ore, ovvero 10 volte superiore a quella delle lampade a incandescenza. Le lampade a LED hanno quindi una maggiore durata e possono raggiungere le 100.000 ore, riducendo notevolmente la perdita di materiale.

La tecnologia LED non ci è sconosciuta. È presente nei moderni dispositivi elettronici come i telefoni cellulari e i computer. I diodi a emissione di luce rossa sono stati sviluppati alla fine degli anni '50 e sono utilizzati negli orologi digitali, nelle calcolatrici e in altri dispositivi. Molti laboratori hanno provato a sviluppare diodi blu con lunghezze d'onda più corte, ma senza successo. L'indirizzo di ricerca di Isamu Akasaki e Hiroshi Amano è lo sviluppo di materiali nei sistemi di illuminazione a LED. Attraverso migliaia di esperimenti, hanno scoperto che il nitruro di gallio funziona molto bene sulle sorgenti luminose a LED blu e può essere utilizzato per produrre sorgenti luminose a LED blu. Finora nessuno era riuscito a utilizzare cristalli di nitruro di gallio per produrre sorgenti luminose LED di alta qualità. Anche Shuji Nakamura della Nichia Chemical ha scelto i cristalli di nitruro di gallio per sostituire il seleniuro di zinco come materiale di base per le sorgenti luminose a LED blu.

Nel 1986, Isamu Akasaki e Hiroshi Amano completarono per la prima volta la ricerca e lo sviluppo di cristalli di nitruro di gallio di alta qualità. Il metodo di preparazione consisteva nel rivestire un substrato di zaffiro con nitruro di alluminio per ottenere nitruro di gallio di alta qualità. Pochi anni dopo, hanno fatto un altro passo avanti nella ricerca e nello sviluppo dello strato di tipo p delle sorgenti luminose a LED. Attraverso esperimenti condotti con il microscopio elettronico a scansione, hanno scoperto che questo materiale aveva una migliore efficienza luminosa. Nel 1992 riuscirono a produrre diodi che emettevano una luce blu abbagliante. Anche Shuji Nakamura iniziò il suo percorso di ricerca e sviluppo intorno al 1988 e riuscì a produrre nitruro di gallio di alta qualità. Negli anni '90, i due team di ricerca migliorarono ulteriormente l'efficienza luminosa delle sorgenti luminose a LED blu e inventarono un laser blu per creare un fascio di luce più nitido. Grazie alla lunghezza d'onda corta della luce blu, è possibile memorizzare più informazioni nella stessa area, realizzando così stampanti laser, TV LCD, computer, telefoni cellulari, ecc. più potenti.

Si può prevedere che l'avanzamento della tecnologia LED blu rappresenterà una rivoluzione nel campo dell'illuminazione del XXI secolo. In futuro utilizzeremo questa tecnologia per produrre fonti luminose simili alla luce naturale, favorendo la regolazione del nostro orologio biologico. Questa tecnologia può quindi essere utilizzata per la coltivazione in serra e persino per futuri insediamenti su Marte. Le fonti di luce artificiale che simulano la luce naturale possono consentire agli astronauti di raggiungere uno spazio più profondo. Per gli abitanti della Terra, le luci LED più economiche ed efficienti possono fornire illuminazione a più persone, perché ci sono ancora 1,5 miliardi di persone che vivono in aree non coperte dalla rete elettrica. Ciò dimostra che i risultati delle ricerche di questi tre scienziati hanno dato un contributo enorme alla civiltà umana.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.