(Phys.org) -- Con l'età della lampadina a incandescenza che svanisce rapidamente, il Santo Graal dell'industria dell'illuminazione è sviluppare una forma altamente efficiente di illuminazione a stato solido che produca luce bianca di alta qualità.

Una delle poche tecnologie alternative che producono luce bianca pura sono i punti quantici a luce bianca. Si tratta di microsfere fluorescenti di seleniuro di cadmio in grado di convertire la luce blu prodotta da un LED in una luce bianca calda con uno spettro simile a quello della luce a incandescenza. (Al contrario, tubi fluorescenti compatti e la maggior parte dei LED a luce bianca emettono una combinazione di colori monocromatici che simulano la luce bianca).

Sette anni fa, quando i punti quantici a luce bianca sono stati scoperti accidentalmente in un laboratorio di chimica di Vanderbilt, la loro efficienza era troppo bassa per le applicazioni commerciali e diversi esperti prevedevano che sarebbe stato impossibile portarla a livelli pratici. Oggi, però, I ricercatori di Vanderbilt hanno dimostrato che queste previsioni erano sbagliate, riferendo di aver aumentato con successo l'efficienza fluorescente di questi nanocristalli da un livello originale del tre percento fino al 45 percento.

Potenziali applicazioni commerciali

"Il quarantacinque percento è alto quanto l'efficienza di alcuni fosfori commerciali, il che suggerisce che i punti quantici a luce bianca possono ora essere utilizzati in alcune applicazioni di illuminazione speciali, "ha detto Sandra Rosenthal, la cattedra di chimica Jack e Pamela Egan, che ha diretto la ricerca descritta online nel Giornale della Società Chimica Americana . "Il fatto che abbiamo aumentato con successo la loro efficienza di oltre 10 volte significa anche che dovrebbe essere possibile migliorare ulteriormente la loro efficienza".

La misura generale per l'efficienza complessiva dei dispositivi di illuminazione è chiamata efficienza luminosa e misura la quantità di luce visibile (lumen) prodotta da un dispositivo per watt. Una lampadina a incandescenza produce circa 15 lumen/watt, mentre un tubo fluorescente emette circa 100 lumen/watt. I LED a luce bianca attualmente in commercio vanno da 28 a 93 lumen/watt.

"Calcoliamo che se combini i nostri punti quantici potenziati con il LED ultravioletto più efficiente, il dispositivo ibrido avrebbe un'efficienza luminosa di circa 40 lumen/watt, " ha riferito James McBride, ricercatore assistente professore di chimica che è stato coinvolto nella ricerca fin dal suo inizio. "C'è molto spazio per migliorare l'efficienza dei LED UV e i miglioramenti si tradurrebbero direttamente in una maggiore efficienza nell'ibrido".

Una scoperta accidentale

I punti quantici sono stati scoperti nel 1980. Sono perline di materiale semiconduttore - il materiale di cui sono fatti i transistor - che sono così piccole da avere proprietà elettroniche uniche, intermedio tra quelli dei semiconduttori bulk e delle singole molecole. Una delle loro proprietà utili è la fluorescenza che produce colori distintivi determinati dalla dimensione delle particelle. Man mano che le dimensioni del nanocristallo si riducono, la luce che emette si sposta dal rosso al blu. La scoperta di Vanderbilt fu che i punti quantici ultra piccoli, contenente solo da 60 a 70 atomi, emettono luce bianca anziché monocromatica.

"Questi punti quantici sono così piccoli che quasi tutti gli atomi sono sulla superficie, quindi l'emissione di luce bianca è intrinsecamente un fenomeno di superficie, " disse Rosenthal.

Uno dei primi metodi utilizzati da vari gruppi nel tentativo di schiarire i nanocristalli è stato "sgranare" - far crescere intorno a loro un guscio fatto di un materiale diverso, come il solfuro di zinco. Sfortunatamente, i gusci spegnevano l'effetto della luce bianca e i punti quantici sgusciati producevano solo luce colorata.

I chimici hanno seguito il loro naso

Seguendo l'esempio di alcune ricerche condotte presso l'Università della Carolina del Nord, i ricercatori hanno deciso di vedere se il trattamento dei punti quantici con sali metallici avrebbe avuto un effetto schiarente. Hanno notato che alcuni dei sali sembravano produrre un piccolo - dal 10 al 20 percento - ma notevole miglioramento.

"Erano sali di acetato e avevano un odore un po' di acido acetico, " ha detto McBride. "Sapevamo che l'acido acetico si lega ai punti quantici, quindi abbiamo deciso di provarlo."

La decisione di seguire il loro naso si è rivelata fortunata. Il trattamento con acido acetico ha aumentato l'efficienza della fluorescenza dei punti quantici dall'otto percento al 20 percento!

L'acido acetico è un membro della famiglia degli acidi carbociclici. Così i ricercatori hanno provato gli altri membri della famiglia. Hanno scoperto che il membro più semplice e più acido - acido formico, la sostanza chimica che le formiche usano per segnare i loro percorsi - ha funzionato meglio, spingendo l'efficienza fino al 45 percento.

L'aumento della luminosità ha avuto un effetto collaterale inaspettato. Ha spostato leggermente il picco dello spettro dei colori dei punti quantici verso il blu. Questo è ironico perché la principale lamentela dei LED a luce bianca è che la luce che producono ha una sgradevole sfumatura blu. Però, i ricercatori sostengono di sapere come correggere il bilanciamento del colore della luce potenziata.

Il prossimo passo dei ricercatori è testare diversi metodi per incapsulare i punti quantici potenziati.