NordForsk - TFI: Helge Weman, CrayNano NTNU Trondheim

Nuevo nanomaterial para reemplazar el mercurio

La luz ultravioleta se usa para matar bacterias y virus, pero las lámparas UV contienen mercurio tóxico. Un nanomaterial recién desarrollado está cambiando eso.

El equipo de nano investigación dirigido por los profesores Helge Weman y Bjørn-Ove Fimland en el Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU ha logrado crear diodos emisores de luz, o LED, a partir de un nanomaterial que emite luz ultravioleta.

Es la primera vez que alguien crea luz ultravioleta en una superficie de grafeno.

Hemos demostrado que es posible, lo que es realmente emocionante“, dice la candidata a la doctora Ida Marie Høiaas, que ha estado trabajando en el proyecto con Andreas Liudi Mulyo, quien también es candidata al doctorado.

Hemos creado un nuevo componente electrónico que tiene el potencial de convertirse en un producto comercial. No es tóxico y podría resultar más barato, más estable y duradero que las lámparas fluorescentes de hoy en día. Si logramos que los diodos sean eficientes y mucho más baratos, es fácil imaginar que este equipo se convierta en un lugar común en los hogares de las personas. Eso aumentaría considerablemente el potencial del mercado“, dice Høiaas.

Peligroso – pero útil

Aunque es importante protegernos de la exposición excesiva a la radiación UV del sol, la luz ultravioleta también tiene propiedades muy útiles. Esto se aplica especialmente a la luz UV con longitudes de onda cortas de 100-280 nanómetros, llamada luz UVC, que es especialmente útil por su capacidad para destruir bacterias y virus. Afortunadamente, los peligrosos rayos UVC del sol quedan atrapados por la capa de ozono y el oxígeno y no llegan a la Tierra. Pero es posible crear luz UVC, que se puede usar para limpiar superficies y equipos hospitalarios, o para purificar el agua y el aire.

Un prototipo temprano de UV LED de CrayoNano

El problema hoy en día es que muchas lámparas UVC contienen mercurio. El Convenio de Minamata de la ONU, que entró en vigencia en 2017, establece medidas para eliminar la minería de mercurio y reducir el uso de mercurio. La convención fue nombrada para un pueblo pesquero japonés donde la población fue envenenada por las emisiones de mercurio de una fábrica en la década de 1950.

Una máquina de epitaxia de haz molecular (MBE) en NTNU. Foto: Idun Haugan, NTNU

Construyendo sobre el grafeno

Una capa de grafeno colocada sobre vidrio forma el sustrato para el nuevo diodo de los investigadores que genera luz UV.

El grafeno es un material cristalino súper fuerte y ultrafino que consiste en una sola capa de átomos de carbono. Los investigadores han tenido éxito en el desarrollo de nanocables de nitruro de galio y aluminio (AlGaN) en la red de grafeno.

El proceso tiene lugar en una cámara de vacío de alta temperatura donde los átomos de aluminio y galio se depositan o crecen directamente sobre el sustrato de grafeno, con alta precisión y en presencia de plasma de nitrógeno. Este proceso se conoce como epitaxia de haz molecular (MBE) y se lleva a cabo en Japón, donde el equipo de investigación de NTNU colabora con la profesora Katsumi Kishino en la Universidad de Sofía en Tokio.

Que haya luz

Después de cultivar la muestra, se transporta al NTNU NanoLab, donde los investigadores hacen contactos de metal de oro y níquel en el grafeno y los nanocables. Cuando se envía energía desde el grafeno y a través de los nanocables, emiten luz UV.

El grafeno es transparente a la luz de todas las longitudes de onda, y la luz emitida por los nanocables brilla a través del grafeno y el vidrio.

Es emocionante poder combinar los nanomateriales de esta manera y crear LED que funcionen“, dice Høiaas.

Mercado multimillonario

Un análisis ha calculado que el mercado de productos UVC aumentará en NOK 6 mil millones, o aproximadamente US $ 700 millones entre ahora y 2023. Se espera que la creciente demanda de dichos productos y la eliminación gradual del mercurio produzcan un aumento anual en el mercado de casi 40 por ciento.

Al mismo tiempo que su investigación de doctorado en NTNU, Høiaas está trabajando con la misma tecnología en una plataforma industrial para CrayoNano. La compañía es una escisión del entorno de investigación nano de NTNU.

Utiliza menos electricidad a un precio más barato

Los LED UVC que pueden reemplazar las bombillas fluorescentes ya están en el mercado, pero el objetivo de CrayoNano es crear diodos mucho más económicos y con mayor eficiencia energética. Según la compañía, una de las razones por las que los LED UV de hoy en día son caros es que el sustrato está hecho de nitruro de aluminio costoso. El grafeno es más barato de fabricar y requiere menos material para el diodo LED.

Høiaas cree que la tecnología debe mejorarse bastante antes de que el proceso desarrollado en NTNU pueda escalarse hasta el nivel de producción industrial.

Entre los temas que deben abordarse se encuentran la conductividad y la eficiencia energética, las estructuras de nanocables más avanzadas y las longitudes de onda más cortas para crear luz UVC. CrayoNano ha progresado, pero los resultados que documentan su progreso aún no se han publicado.

El objetivo de CrayoNano es comercializar la tecnología en algún momento en 2022“, dice Høiaas.

Modelo prototipo de lámpara que emitirá la luz uv

Referencia: GaN / AlGaN Nanocolumn Diodo emisor de luz ultravioleta que utiliza grafeno de doble capa como sustrato y electrodo transparente. Ida Marie Høiaas, Andreas Liudi Mulyo, Per Erik Vullum, Dong-Chul Kim, Lyubomir Ahtapodov, Bjørn-Ove Fimland, Katsumi Kishino y Helge Weman. Nano Letters 2019 19 (3), 1649-1658

Via: geminiresearchnews.com