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Materiales que no reflejan la luz
Los reflejos no deseados limitan el rendimiento de las tecnologías basadas en la luz, como las células solares, las lentes de las cámaras y los diodos emisores de luz (LED). En las células solares, por ejemplo, los reflejos significan menos luz que se puede convertir en electricidad. Ahora, los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), en Troy, Nueva York, y el fabricante de semiconductores Crystal IS, en Green Island, Nueva York, han desarrollado un nuevo tipo de recubrimiento nanoestructurado que puede eliminar virtualmente los reflejos, lo que podría conducir a mejoras dramáticas en los dispositivos ópticos. El trabajo se publica en el número actual de Fotónica de la naturaleza .
Sin ver reflejo: Dos piezas de nitruro de aluminio, un material semiconductor que se puede utilizar en dispositivos emisores de luz, reflejan diferentes cantidades de luz. La pieza de la parte superior refleja el 12 por ciento de la luz. Un nuevo revestimiento antirreflectante en la pieza inferior reduce la reflexión a aproximadamente un 0,1 por ciento. El tinte azulado se debe a que el revestimiento permite que se refleje más luz azul. Dichos revestimientos podrían mejorar muchos dispositivos ópticos.
Los investigadores demostraron que pueden prevenir casi todos los reflejos de una amplia gama de longitudes de onda de luz mediante el crecimiento de varillas a nanoescala proyectadas en ángulos específicos desde una superficie. Por el contrario, los recubrimientos antirreflectantes convencionales funcionan mejor solo para colores específicos, por lo que, por ejemplo, los anteojos con tales recubrimientos todavía muestran tenues reflejos rojos o verdes. Fred Schubert, profesor de física e ingeniería eléctrica, informática y de sistemas en RPI y uno de los autores del estudio, dice que el material detiene los reflejos de casi todos los colores del espectro visible, así como algo de luz infrarroja, y También reduce los reflejos de la luz proveniente de más direcciones que los recubrimientos convencionales. Como resultado, dice, la reflexión total es 10 veces menor que con los recubrimientos actuales.
Aplicado a una celda solar, el nuevo recubrimiento aumentaría la cantidad de luz absorbida en unos pocos puntos porcentuales y la convertiría en electricidad, dice Schubert. Se podría ver una mejora más notable del 40 por ciento en los LED, dice, en los que una gran cantidad de luz generada por un semiconductor generalmente queda atrapada dentro del dispositivo por reflejos. El trabajo es parte de un esfuerzo creciente entre los investigadores para alterar las propiedades de los materiales, como sus propiedades ópticas, mediante el control de estructuras a nanoescala.
Para hacer superficies menos reflectantes, los ingenieros de RPI crearon un recubrimiento poroso de varias capas que facilita la transición a medida que la luz pasa del aire a un material sólido o cuando se emite luz desde un semiconductor en un LED. La reflectividad está relacionada con la diferencia entre la cantidad que dos sustancias, como el aire y el vidrio, refractan o desvían la luz. Reducir la diferencia reduce la reflexión donde se encuentran dos materiales. En el nuevo recubrimiento, cada capa sucesiva dobla más la luz a medida que la luz pasa del aire al sustrato. Asimismo, como en el ejemplo de un LED, la luz que emerge de un semiconductor se dobla menos en cada capa sucesiva hasta llegar al aire.
La teoría detrás de esto se conoce desde hace décadas, dice Steven Johnson, profesor de matemáticas aplicadas en el MIT, pero el desafío ha sido fabricar una estructura que sea lo suficientemente porosa y lo suficientemente pequeña para trabajar con las longitudes de onda cortas de la luz visible.
Los investigadores de RPI hicieron una estructura tan porosa depositando materiales en una superficie para crear varillas a nanoescala. Inclinar la superficie permite hacer crecer las nanovarillas en ángulo. Los investigadores encontraron que al cambiar el ángulo de las nanovarillas, pueden controlar la forma en que las nanovarillas doblan la luz: el índice de refracción. El aire tiene un índice de refracción de casi uno. Los investigadores pudieron hacer una capa superior de nanobarras con lo que Schubert dice es un índice sin precedentes de 1.05. (A modo de comparación, el vidrio tiene un índice de refracción de 1,45 y un semiconductor emisor de luz, el nitruro de aluminio, tiene un índice de aproximadamente 2,05). Cada capa sucesiva tiene un índice de refracción más alto hasta que la última capa casi coincide con el sustrato. Las dos capas superiores incorporan nanobarras de vidrio. Los tres de abajo están hechos de titania. Los investigadores probaron el recubrimiento en nitruro de aluminio, pero debería funcionar en una variedad de sustratos, dice Schubert.
Hemos desarrollado una nueva clase de materiales que tiene un índice de refracción más bajo que cualquier otro: cualquier otro material óptico viable de película delgada que haya estado disponible en el pasado, dice Schubert. Dado que todo en la óptica depende del índice de refracción, dice que podría tener otras aplicaciones además de los recubrimientos antirreflectantes. De hecho, las nanovarillas podrían usarse para hacer lo contrario, creando espejos muy reflectantes al emparejar capas de nanovarillas que doblan la luz de manera muy diferente, en lugar de crear una transición gradual.
Schubert está trabajando con una empresa derivada para comercializar la tecnología y anticipa que los productos podrían estar disponibles en tres a cinco años. La tecnología enfrentará la competencia con recubrimientos convencionales de bajo costo, así como con otros nuevos materiales nanoestructurados. Este es un trabajo muy elegante y hermoso, dice Michael Rubner, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. Han podido obtener algunos valores de índice de refracción excepcionalmente bajos para un recubrimiento. La pregunta clave siempre será costo versus desempeño.