2014-10-10
Kategoria: Nauka

Nagrody Nobla 2014 w Nauce: więcej widzieć, mieć, rozumieć

Nobel-Prize-Physics-2014

Fizyka: rewolucyjna niebieska dioda LED – „Więcej światła”

Królewska Szwedzka Akademia Nauk zdecydowała, że Nagrodę Nobla w dziedzinie Fizyki w 2014 roku otrzymają Isamu Akasaki (Meijo University, Nagoya, Japonia i Nagoya University, Japonia), Hiroshi Amano (Nagoya University, Japonia) i Shūji Nakamura (University of California, Santa Barbara, Kalifornia, USA) za wynalezienie wydajnych diod emitujących niebieskie światło, które umożliwiły wytworzenie jasnych i energooszczędnych źródeł światła.

Komitet docenił – jak napisano w uzasadnieniu – wynalezienie przez naukowców „wydajnych diod emitujących światło niebieskie, które pozwoliły na stworzenie jasnych i energooszczędnych źródeł światła białego”. „Ich wynalazki były rewolucyjne. Żarówki oświetlały wiek XX; wiek XXI oświetlą diody LED” – napisali członkowie Komitetu Noblowskiego. Ich zdaniem może to poprawić jakość życia nawet 1,5 miliarda ludzi na świecie, niemających dostępu do sieci elektrycznej. Dzięki niewielkiemu zapotrzebowaniu na energię niebieskie diody LED mogą być bowiem zasilane tanimi, ekologicznymi źródłami energii, np. bateriami słonecznymi.

Mogą działać do stu razy dłużej niż zwykła żarówka

Emitujące światło diody LED bardzo wydajnie zamieniają energię elektryczną na światło. Są dużo trwalsze od żarówek czy świetlówek. W przeciwieństwie do świetlówek, mogą być szybko i często włączane i wyłączane, bez szkody dla trwałości – i nie zawierają trującej rtęci.

Teoretyczne podstawy LED powstały już na początku XX wieku, ale na praktyczne zastosowanie trzeba było poczekać jeszcze dziesięciolecia. Pod koniec lat 50. pojawiły się czerwone diody LED, później opracowano także zielone. Znalazły zastosowanie jako elementy wyświetlaczy w zegarkach i urządzeniach pomiarowych czy lampki sygnalizujące podłączenie do sieci. Jednak przez 30 lat nie udawało się stworzyć diody niebieskiej, niezbędnej do zbudowania lamp LED emitujących białe światło – połączenie barw: czerwonej, zielonej i niebieskiej; niebieskie światło ma bowiem najkrótszą długość fali i najwyższą energię.

Per-Delsing-thumb– Dzięki niebieskiej diodzie mamy źródła białego światła, które są znacznie bardziej wydajne i trwałe. Fascynujące jest to, że wiele dużych firm pracowało nad stworzeniem tego wynalazku, ale się poddawały, w przeciwieństwie do naszych laureatów – tłumaczył ekspert Szwedzkiej Akademii, profesor Mikrotechnologii i Nanotechnologii Uniwersytetu Technologicznego Chalmers w Göteborgu Per Delsing (e-mail).

Niebieska dioda rozpoczęła fundamentalną zmianę w technice oświetleniowej. Zbudowana jest z wielu warstw półprzewodnika. Energia elektryczna jest przekształcana bezpośrednio w strumień cząsteczek światła – fotonów, podczas gdy w lampach wyładowczych – świetlówkach, a zwłaszcza wykorzystujących rozżarzony drucik wolframowy żarówkach – większość energii przekształca się w ciepło.

Niemal czwarta część światowego zużycia energii jest zużywana do celów oświetleniowych. Coraz większa wydajność świetlna białych diod (więcej lumenów z każdego pobranego wata, ostatnio już 300 lumenów na wat) sprawia, że powstają mieszczące się w kieszeni latarki świecące jak samochodowy reflektor halogenowy, a żarówkom oświetlającym cały pokój wystarcza moc kilku – kilkunastu watów. Dla porównania: wydajność zwykłych żarówek to tylko 16 lumenów na wat, świetlówek – około 70. W przypadku oliwnego kaganka znanego od około 15 000 lat to zaledwie 0,1 lumena na wat.

Light-Electromagnetic-Radiation

Żarówka ma trwałość około 1000 godzin, świetlówka wytrzymuje około 10 000, a dioda – nawet 100 000 godzin. Niemal 1,5 miliarda ludzi pozbawionych dostępu do sieci elektrycznej może żyć w lepszych warunkach dzięki „żarówkom” LED, zasilanym na przykład przez baterie słoneczne. Diody ultrafioletowe – pracujące na podobnych zasadach, co niebieskie – mogą być stosowane do sterylizowania wody; są nawet kieszonkowe urządzenia tego rodzaju, zasilane z baterii.

Diodowe światła w samochodach są bardziej odporne na wstrząsy, bardzo rzadko trzeba je wymieniać i włączają się praktycznie bez opóźnienia. Podświetlane LED ekrany urządzeń elektronicznych pozwalają na dłuższą pracę z dala od sieci elektrycznej. Za pomocą diod można podświetlać zmieniającymi się kolorami elewacje budynków, a nawet pokrywać je olbrzymimi ekranami wyświetlającymi zmieniające się obrazy.

Takie „żarówki” są dziś powszechne na ulicach, w domach i w latarkach telefonów komórkowych. Dzięki japońskim naukowcom powstały także niebieskie lasery, pozwalające na zagęszczenie zapisu – płyty Blu-ray zastąpiły DVD, a drukarki laserowe dają lepsze wydruki.

Fizyka czy inżynieria?

Krzysztof-Meissner-thumbZdaniem profesora Krzysztofa Meissnera z Uniwersytetu Warszawskiego, osiągnięcie tegorocznych noblistów było bardziej wyczynem z dziedziny inżynierii niż fizyki. „Od strony technologicznej – powiedział – to było bardzo duże osiągnięcie. Natomiast od strony teoretycznej nic nowego tutaj nie ma, (…) to po prostu diody emitujące światło”.

Ale te technologie już zaczynają znajdować zupełnie nowe zastosowanie: testowane są tak zwane systemy Li-Fi, które emitują nie tylko światło, ale jednocześnie sygnał internetowy.

„Dzięki ich pracy zmienił się świat”

Robert-Dwilinski-thumb– Na tę nagrodę środowisko fizyków czekało od lat – powiedział tuż po ogłoszeniu werdyktu sztokholmskiej akademii, Robert Dwiliński z Centrum Nowych Technologii UW i prezes polskiej firmy Ammono, potentata w produkcji kryształów azotku galu (GaN). Podkreślił, że wynalezienie przez japońskich fizyków tego związku chemicznego, na którym opiera się technologia światła LED, to odkrycie na miarę rewolucji. Dzięki ich pracy zmieniło się wiele w dziedzinie elektroniki i nowoczesnych technologii.

Fizyk zwrócił uwagę, że wynalazek japońskich naukowców jest znany setkom milionów ludzi na całym świecie. Wiele osób używa świateł LED w domach, mają je również nowe auta oraz telefony komórkowe.

Robert Dwiliński uważa, że nagroda za diody LED to podobne wyróżnienie, jak kiedyś za wynalezienie tranzystora. Tamten wynalazek pozwolił rozpowszechnić odbiorniki radiowe, ten pozwala wprowadzać coraz to lepsze udogodnienia w teleinformatyce, z jednoczesnym oszczędzaniem zużycia energii. Jego zdaniem Komitet Noblowski docenił przełom cywilizacyjny, jaki dokonał się dzięki odkryciu światła generowanego przez azotek galu: chodzi o możliwość zamiany prądu elektrycznego na światło przez półprzewodniki.

Nazwiska laureatów ogłoszono 7 października w Sztokholmie. Zgodnie z decyzją Komitetu Noblowskiego naukowcy podzielą się po równo kwotą 8 mln koron szwedzkich (ok. 3,6 mln zł).

Nobel-Prize-Physics-2014-Winners

Isamu Akasaki (85 lat) współpracował z Hiroshi Amano (54 lata, e-mail) na uniwersytecie w Nagoi, natomiast urodzony w Japonii Shūji Nakamura (60 lat, e-mail) był zatrudniony w małej firmie Nichia Chemical w Tokushimie na wyspie Shihoku. Wszyscy trzej naukowcy sami budowali konieczną aparaturę i podejmowali ryzyko niezliczonych nieudanych eksperymentów. Pierwszym sukcesem Akasakiego i Amano było uzyskanie wysokiej jakości kryształów azotku galu na szafirowym podłożu. W kilka lat później wytworzyli w tym materiale warstwy półprzewodnika typu p, a w roku 1992 zbudowali pierwszą niebieską diodę.

Nakamura pracował niezależnie od Akasakiego i Amano, uzyskując podobne wyniki. Wyjaśnił także teoretyczne podstawy procesu technologicznego.

Ważny wątek polski (jak zwykle – niedoceniony)

Co ciekawe – warto dodać, że w tej historii bardzo istotny jest wątek polski: Nichia Corporation w 1999 roku zainwestowała w polską firmę Ammono w podwarszawskim Stanisławowie Pierwszym, będącą obecnie światowym liderem w produkcji wyjątkowej jakości kryształów azotku galu (GaN). Badania nad tym związkiem w Polsce rozpoczęły się jeszcze zanim nad technologią tą zaczęli prace japońscy nobliści. Azotek galu nie występuje w przyrodzie; ma bardzo dużą wytrzymałość chemiczną i termiczną i jest doskonałym materiałem do budowy półprzewodników. Efektem tej współpracy było m.in. stworzenie największego wówczas na świecie, dwucalowego kryształu azotku galu, który w opinii prezesa Dwilińskiego został bardzo dobrze przyjęty przez koncerny z branży półprzewodnikowej.

Już dziś producenci telefonów komórkowych wykazują zainteresowanie wbudowanymi w ich sprzęty projektorami. Firmy takie jak Samsung dostrzegają potencjał drzemiący w dodatkowej funkcjonalności. Dużym minusem tradycyjnego smartfona jest niewielki ekran, dlatego takie usługi jak telewizja internetowa w komórkach napotkały bariery dalszego rozwoju. Projektory oparte na zielonym i niebieskim laserze o podłożach zbudowanych z azotku galu będą mniejsze i lżejsze od obecnych, a obraz przez nie generowany nieporównywalnie lepszej jakości. W branży samochodowej prognozy przewidują, że w 2020 roku, a więc całkiem niedługo, koncerny będą sprzedawać nawet 20 milionów sztuk aut elektrycznych i hybrydowych rocznie. Czterocalowy plaster GaN umieszczony w tranzystorach takich pojazdów powinien znacząco zwiększyć ich trwałość oraz zasięg na jednym ładowaniu – mówi Robert Dwiliński.

Możliwości i pomysłów wykorzystania azotku galu jest wiele. Zdaniem prezesa firmy Ammono, w ciągu najbliższych dziesięciu lat przekonamy się, które z nich osiągną sukces rynkowy. Co ważne – w 2012 roku, Ammono została pozytywnie oceniona przez ekspertów ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej). Jeśli jej rozwiązania technologiczne sprawdzą się w ekstremalnych warunkach kosmicznych, produkty firmy otworzą drogę do produkcji wielkoskalowej, gdyż – według prezesa – nie ma lepszej weryfikacji jakości dla przedstawicieli branży energetycznej, samochodowej czy elektronicznej niż właśnie testy kosmiczne. Chociaż w technologiach diodowych raczej nie dogonimy już Japonii i Chin, o tyle w elektronice wysokich mocy i wysokich częstotliwości Polska ma potencjał na pozycję gracza globalnego, a może nawet lidera w technologiach opartych o azotek galu.

– Ta Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki warta jest nagłośnienia, w szczególności dlatego, że Polska, jeśli chodzi o skalę materiałową i naukową zagadnienia, jest w ścisłym gronie liderów. To dla nas również wielka satysfakcja, bo z tymi ludźmi współpracujemy. Na naszych kryształach, najwyższej jakości w świecie, robią wiele badań – dodaje Dwiliński.

Nobel-Prize-Physics-2014-LED

123

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2018-01-17, 05:42
Gwałtowne deszcze
1°C
Odczuwalna: -7°C
Ciśnienie: 99 mb
Wilgotność: 93%
Wiatr: 6 m/s WSW
Prognoza: 2018-01-17
dzień
Gwałtowne deszcze
2°C
noc
Przeważnie pochmurno
-2°C
 

Teleskop Hubble'a