Cosa sono i LED e perché gli inventori hanno vinto il Nobel per la fisica 2014

di Marco Grilli del 20 novembre 2014

Scoprite cosa sono i LED e perché i loro inventori hanno vinto il Nobel per la Fisica del 2014: ottimizzano l’energia elettrica, sono super-efficienti e durano più a lungo.

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura: dietro questi nomi dalla difficile pronuncia si celano i vincitori del Nobel per la fisica 2014, ossia gli inventori della luce del XXI secolo. Si tratta dei LED blu, che hanno permesso di ottenere fonti luminose bianche, più economiche, efficienti, ecologiche e durevoli rispetto alle tradizionali lampade a incandescenza, fluorescenza o neon.

«Circa un quarto della produzione di energia elettrica mondiale è impiegata per accendere le lampadine, i Led possono contribuire a risparmiare le risorse del pianeta», si legge nella motivazione del premio, assegnato dall’Accademia svedese delle scienze.

Col termine LED, acronimo dell’inglese Light Emitting Diode (diodi a emissione luminosa), si indicano quei dispositivi semiconduttori capaci di produrre luce al passaggio della corrente elettrica, dispositivi che trovano ormai largo impiego nella vita di tutti i giorni, basti pensare ai telecomandi, ai pc, ai cellulari, ai televisori, agli impianti hi-fi, ai semafori, ai fari delle automobili.

Le loro eccezionali prestazioni derivano dalla maggiore ottimizzazione dell’energia elettrica, che viene utilizzata solo per produrre luce senza alcuna dispersione di calore, tanto frequente invece in tutti gli altri sistemi. I LED risultano così imbattibili in termini di efficienza, misurata in rapporto tra luminosità generata (lumen) e potenza in ingresso (watt), realizzando un record di 300 lumen/watt, rispetto ai 70 di una lampada a fluorescenza e ai 16 di una a incandescenza.

Anche per quanto riguarda la durata, i LED non temono confronti, se è vero che possono reggere fino a 100mila ore, in confronto alle 10mila delle lampadine fluorescenti e alle sole 1000 delle ormai superate fonti luminose a incandescenza.

Inoltre, come riportato nella motivazione al premio «i Led possono migliorare la qualità della vita di 1,5 miliardi di persone che non hanno accesso alla rete elettrica», poiché possono funzionare a bassa tensione con l’energia fornita da un semplice pannello fotovoltaico, potendo così svolgere, in prospettiva, un’importante funzione di compensazione, nell’ottica di un utilizzo razionale ed equilibrato delle risorse.

Durata più lunga, maggior efficienza, elevato risparmio energetico, funzionamento in sicurezza perché a bassa tensione, costi di manutenzione nulli, luce a immediata accensione e pulita perché priva di mercurio e altri materiali inquinanti: i vantaggi dei LED rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionali più noti e diffusi sono davvero notevoli e promettono di fare la differenza negli anni venturi.

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Entriamo ora nel dettaglio per vedere come sono fatti e funzionano. Un diodo a emissione luminosa è un dispositivo optoelettronico, costituito da una serie di strati di differenti materiali semiconduttori, che consentono di convertire l’energia elettrica in fotoni, ossia in luce. Nello specifico, vi è uno strato n (di tipo negativo, ricco di elettroni), uno strato p (di tipo positivo, carente di elettroni) e uno strato intermedio (detto attivo, costituito dal semiconduttore e dove nasce la luce): applicando una tensione elettrica al semiconduttore, gli elettroni dello strato n e le lacune positive di quello p si spostano verso lo strato attivo e, combinandosi, emettono luce. La frequenza dei fotoni emessi, ossia il colore della luce, dipende dal semiconduttore usato.

Nobel fisica 2014

I tre inventori hanno vinto il Nobel per la fisica 2014

Questo fenomeno, su cui si dibatteva già agli inizi del XX secolo, fu compreso e approfondito solo negli anni Cinquanta, quando furono creati i diodi in grado di emettere luce rossa. La tappa successiva fu la creazione dei LED verdi, ma entrambi i dispositivi non permettevano ancora di produrre luce bianca e brillante, almeno fino a quando non fosse stato scoperto il modo per generare un fascio di luce blu da materiali semiconduttori, in modo da combinare i tre componenti per ottenere luce bianca e di ogni colore.

evoluzione lampadina

Cosa sono i LED e perché gli inventori hanno vinto il Nobel per la fisica 2014

La ricerca ha arrancato per anni e proprio tali difficoltà testimoniano il valore della scoperta di Akasaki, Amano e Nakamura, giudicata meritevole del massimo riconoscimento in campo scientifico, il Nobel. All’inizio degli anni Novanta, quando hanno messo a punto un composto a base di cristalli di nitruro di gallio all’origine della creazione dei LED blu, i tre scienziati hanno definitivamente rivoluzionato il settore dell’illuminazione.

I nomi dei due giapponesi Isamu Akasaki (classe 1929) e Hiroshi Amano (1960) dell’Università di Nagoia e del cittadino americano Shuji Nakamaura (1954), dell’Università della California a Santa Barbara, sono ormai impressi nella storia della scienza, per aver regalato al mondo una nuova fonte di luce economica, efficiente e sostenibile.

Immagine via Shutterstock.

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