Durante estos oscuros meses de invierno, dediquemos un pensamiento a las luces artificiales. Desde las guirnaldas luminosas que aportan alegría festiva hasta las lámparas solares artificiales que alivian el trastorno afectivo estacional, iluminan nuestros días. Y las aplicaciones de la luz pueden ir mucho más allá. Las Naciones Unidas designaron 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz para concienciar sobre cómo las tecnologías fotónicas ofrecen soluciones a desafíos internacionales. La tecnología de la luz es ahora un área activa de investigación en energía, salud y agricultura.
La luz que abrió camino
A finales del siglo XIX, Thomas Edison creó una bombilla práctica: una fuente de luz duradera y alimentada por electricidad que cambió significativamente nuestros hábitos de trabajo, ocio y sueño. La capacidad de controlar la luz de nuevas maneras transformó cómo experimentamos y vemos el mundo. Las tecnologías basadas en la luz, como las redes de fibra óptica, nos permiten conectarnos rápidamente por internet con personas de todo el mundo. Los diodos emisores de luz (LED) están ahora por todas partes, desde los dispositivos electrónicos de consumo, como los teléfonos inteligentes, hasta las bombillas para la iluminación del hogar.
La claraboya artificial de CoeLux aprovecha la tecnología para imitar nuestra fuente de luz más vital: el sol. James Holloway.
Un ejemplo reciente es la claraboya artificial inventada por investigadores que dedicaron más de diez años a perfeccionar el sistema CoeLux . Este invento, galardonado con el premio Lux Awards 2014 a la Innovación del Año en Fuentes de Luz, puede llenar el techo de una habitación imitando la luz solar de distintas latitudes, desde el ecuador hasta el norte de Europa. La clave de su éxito al reproducir un cielo soleado consiste en usar materiales nanoestructurados para dispersar la luz de los LED del mismo modo que las diminutas partículas dispersan la luz solar en la atmósfera: la llamada dispersión de Rayleigh. La financiación de este proyecto por parte de la Comisión Europea permitió avances científicos en la gestión de la luz y la nanotecnología, así como completar un dispositivo que podría mejorar la calidad de vida en espacios interiores, desde hospitales hasta aparcamientos subterráneos.
Iluminar la investigación
Solo recientemente se ha reconocido plenamente la utilidad de los LED para la iluminación general. Aunque los LED rojos y verdes llevaban más de una década en uso comercial, faltaba el color necesario para producir luz blanca: el azul. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura resolvieron el enigma del azul a principios de la década de 1990. Ahora, gracias a su trabajo, los LED de luz blanca son omnipresentes. En reconocimiento a este invento que ahorra energía, recibieron el año pasado el Premio Nobel de Física .
La luz también fue reconocida el año pasado en la categoría del Premio Nobel de Química por las herramientas de microscopía basadas en la luz, que emplean algunos trucos para detectar la presencia de una sola molécula. La microscopía estaba limitada por la difracción: dos objetos adyacentes solo pueden distinguirse si están separados por más de la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada para obtener imágenes. Sin embargo, los premios Nobel Eric Betzig, Stefan Hell y W. E. Moerner adoptaron enfoques distintos, basados en principios similares, para superar el límite de difracción y controlar la fluorescencia de moléculas individuales, a fin de observarlas con gran detalle. Al encender o apagar la luz emitida por las moléculas, los científicos pudieron reconstruir su ubicación a escala nanométrica.
Así es como funciona: primero, un pulso de luz débil excita una fracción de las moléculas o proteínas fluorescentes. Después de que su emisión se atenúa, se excita otro subgrupo de moléculas fluorescentes. Este ciclo de encendido y apagado continúa; luego se procesan y superponen las imágenes para formar un mapa de alta resolución de proteínas individuales. La posibilidad de observar el nanomundo de las células vivas —por ejemplo, para ver cómo se agregan las proteínas en las primeras etapas de enfermedades como el alzhéimer y la enfermedad de Huntington— apenas comienza a hacerse realidad. Comprender la progresión de una enfermedad a nivel de molécula individual podría ayudar a determinar cuándo sería ventajoso intervenir de forma temprana.
Los inversores deben ver la luz
La luz es una ciencia unificadora que conecta campos como la química y la física, y mejora nuestras vidas y el mundo. Pero aprender a manipular la luz es costoso y requiere tiempo. Las tecnologías se basan en gran medida en inversiones en investigación científica básica, así como, por supuesto, en la serendipia y las oportunidades circunstanciales. Pensemos, por ejemplo, en los LED. La investigación sobre los LED azules comenzó hace más de 40 años en Radio Corporation of America, pero los cambios en la estructura de financiación de la empresa frenaron su desarrollo durante dos décadas, hasta que los ganadores del Premio Nobel del año pasado resolvieron el problema de los materiales y el proceso de ampliación de escala.
El apoyo continuo y sostenido a la investigación fundamental es crucial para las tecnologías futuras que aún no se han imaginado ni visto, pero que podrían tener un impacto transformador en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, en la agricultura, una captación más eficaz de la energía solar y su conversión en calor mediante invernaderos podrían permitir la producción durante todo el año, así como el acceso a cultivos que actualmente no están disponibles en determinados climas.
En mi propio trabajo como investigadora en química, mi grupo inventó un láser del tamaño de una partícula vírica, algo que no debería ser posible según los métodos tradicionales de control de la luz, pero que sí lo es gracias a nanopartículas metálicas capaces de concentrar la luz en volúmenes pequeños. Estos diminutos láseres son fuentes de luz prometedoras que pueden utilizarse para enviar y recibir datos con un gran ancho de banda, así como para detectar moléculas en cantidades ínfimas o agentes biológicos.
La construcción de nuestro nanoláser exigió un control preciso de la forma y la ubicación de las nanopartículas de oro adyacentes. La posibilidad de fabricar siquiera estas nanoestructuras se debe a las décadas de inversión de la industria electrónica en el desarrollo de herramientas de nanofabricación para crear los diminutos componentes de los ordenadores. Las inversiones tanto en ciencia fundamental como en aplicaciones son cruciales, como destacaron los Premios Nobel de Química y Física del año pasado.
La designación de este Año Internacional de la Luz por parte de la ONU pondrá de relieve el potencial de este tipo de innovaciones y la necesidad de seguir invirtiendo en tecnologías futuras. Desde nuevas maneras de sacudirse la tristeza invernal hasta la manipulación de la luz en espacios pequeños, el futuro de la luz artificial es, sin duda, brillante.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autoría: Teri Odom es profesora de Química en Northwestern University.
Imagen: Bombillas incandescentes tradicionales en un apartamento de Múnich, el 31 de agosto de 2009. «Las bombillas incandescentes se eliminarán progresivamente entre septiembre de 2009 y septiembre de 2012», dijo un portavoz de la Presidencia de la UE en diciembre de 2008. Los hogares europeos podrían ahorrar inicialmente hasta 50 euros (65 dólares) al año al cambiar a lámparas halógenas, LED y fluorescentes compactas (CFL) más eficientes, y ahorrar aún más a medida que bajen los costes de las bombillas más caras, pero de mayor duración.
