Uma nova luz em nossas vidas

Coluna Física sem mistério
Publicada em 24/10/2014

A luz é um dos fenômenos físicos mais interessantes da natureza. Aliás, só podemos observar a natureza a partir da luz. Conforme o tipo usado, vemos diferentes aspectos do mundo. Uma sala, por exemplo, se transforma perante nossos olhos quando a iluminamos com cores diferentes.

As sutilezas da estrutura da matéria, quando observada pelos raios X, ou as profundezas do cosmos analisado por ondas de rádio ou por diferentes radiações do espectro eletromagnético nos dão uma nova visão do universo. Vivemos banhados pela luz.

A luz viaja a cerca de 300.000 Km/s no vácuo, que é o limite de velocidade para tudo no universo. Ela pode se comportar como onda, ao se espalhar pelo ar, ou como partícula, quando é absorvida ou emitida por átomos. Sem dúvida, um objeto fascinante e intrigante. Qualquer um de nós, sobretudo na infância, já perguntou o que é a luz. Podemos prendê-la, guardá-la? Como podemos fazer luz? O que veríamos se andássemos junto com um raio de luz?

A luz é uma radiação eletromagnética que, dependendo da frequência (ou do comprimento de onda), interage com a matéria de diferentes modos. Por exemplo, a luz visível – que compreende radiações de uma pequena faixa do espectro eletromagnético, de 700 a 400 nanômetros (1 nm equivale a 1 bilionésimo do milímetro) – é a faixa na qual nossos olhos conseguem ver. Mas, com o uso de determinadas tecnologias, é possível ‘enxergar’ outras escalas na natureza (veja ‘Nas ondas do rádio’ e ‘Luzes e cores’).

A luz pode ser produzida de diversas formas. Por exemplo, todo corpo, quando aquecido, emite luz. Nosso corpo, que normalmente fica na temperatura de 36 ºC, emite luz na faixa do infravermelho (abaixo da cor vermelha), que é invisível aos nossos olhos, mas que podemos sentir pelo tato e por meio de sensores especiais (muitas câmeras digitais gravam no infravermelho).

À medida que aumentamos a temperatura de um objeto, ele começa a brilhar, primeiramente de forma avermelhada (como o carvão em brasa), depois amarelada, até chegar à cor azul, que representa alta temperatura, acima de milhares de graus.

O aquecimento dos corpos foi durante milênios o único modo de se produzir luz, principalmente a partir da combustão (fogo). Até meados do século 19, quando a lâmpada incandescente foi inventada, usava-se fogo para iluminar, na forma de tocha ou vela.

Incandescência e fluorescência

A lâmpada incandescente como produto comercial foi desenvolvida por Thomas Edison (1847-1931) em 1879, a partir de uma patente comprada de Henry Woodward e Matthew Evan. Edison adaptou o projeto de modo a viabilizar sua comercialização.

Inicialmente ele utilizou um filamento de carbono, que podia ser aquecido até cerca de 3.000 ºC; posteriormente usou um fio de tungstênio, metal com ponto de fusão muito alto. Também foram desenvolvidas técnicas de vácuo para melhorar o tempo de duração das lâmpadas.

Esse tipo de lâmpada é usado até hoje. Mas, devido à sua baixa eficiência em converter energia em luz (apenas 5% da energia elétrica é convertida em luz), essa invenção de quase 130 anos tem seus dias contados. Muitos países, inclusive o Brasil, têm restringido a fabricação e comercialização desse tipo de lâmpada.

A alternativa mais comum disponível atualmente é a lâmpada fluorescente, que, ao contrário das lâmpadas de filamento, é muito eficiente. Esse tipo de lâmpada possui um tubo de vidro no qual uma mistura gasosa, como argônio e vapor de mercúrio, emite luz ultravioleta quando uma descarga elétrica passa através dela.

Essa radiação é absorvida pelos materiais que revestem o tubo, como tungstato de magnésio ou silicato de zinco, que emitem luz visível com boa eficiência, dissipando menos calor para o ambiente. Por isso, uma lâmpada fluorescente com potência de 15 watts equivale a uma lâmpada incandescente de 75 ou 80 watts.

Diodos emissores de luz

Mas a grande revolução na produção de dispositivos emissores de luz teve início em meados da década de 1960, com a produção dos primeiros diodos emissores de luz – do inglês, Light Emission Diode (LED). Trata-se de dispositivos semicondutores que, submetidos a determinada voltagem, emitem luz por um processo conhecido por eletroluminescência.

Os primeiros dispositivos obtidos emitiam luz nas cores vermelha, verde e amarela. Só em 1990 foi possível construir um LED que emitia na faixa do azul, que, combinado com o verde e vermelho, pode produzir luz branca. Além disso, usando apenas o LED azul em um dispositivo revestido pelo elemento fósforo, este decompõe parte do azul em cores de maior comprimento de onda (vermelho e verde), criando o branco a partir da sua mistura.

Os materiais semicondutores que constituem os LEDs são usados na construção de quase todos os dispositivos eletrônicos que utilizamos. A grande vantagem desses materiais é que sua condutividade elétrica pode ser controlada a partir da introdução de outros elementos na liga formada pelos semicondutores. De modo simplificado, podemos dizer que, ao introduzir outro elemento, aumentamos (ou diminuímos) a quantidade de elétrons disponíveis para conduzir eletricidade no semicondutor.

No caso particular dos LEDs, temos a junção de dois tipos de semicondutores. Essa junção forma uma espécie de barreira de energia (conhecida como barreira de potencial) que os elétrons só podem ultrapassar se tiverem determinada quantidade de energia.

Contudo, devido à natureza quântica desse tipo de estrutura, os elétrons só dispõem de determinados níveis de energia discretos. Nos LEDs, a energia eletrostática que os portadores de carga perdem na passagem da interface entre os dois semicondutores se transforma em luz e corresponde à diferença entre dois níveis de energia no semicondutor. A relação que há entre a energia e a frequência do fóton emitido é dada pela equação de Planck E=hf, na qual h é a constante de Planck e f a frequência do fóton emitido.

Foi um grande desafio criar um LED que emite luz na cor azul, feito esse que valeu oNobel de Física de 2014 para os físicos Isamu Akasaki, da Universidade de Meijo e de Nagoia (Japão), Hiroshi Amano, também da Universidade de Nagoia, e Shuji Nakamura, da Universidade da Califórnia (Estados Unidos).

O material que eles obtiveram é conhecido como nitreto de gálio (GaN) e, quando dopado com alumínio e índio, emite luz na faixa do azul. O trabalho desenvolvido por esses cientistas teve o grande mérito de conseguir encontrar rotas específicas para fabricar o material.

Os LEDs que emitem luz branca estão cada vez mais presentes no nosso dia a dia. Muitos deles já são utilizados em luminárias e em automóveis, com a grande vantagem de ter eficiência e durabilidade muito maiores que as dos demais tipos de lâmpadas.

Dessa maneira, o prêmio Nobel de Física deste ano contemplou uma descoberta que já se transformou em tecnologia e permitirá uma revolução nos processos de geração de luz. Sem dúvida, desde a descoberta do fogo e da invenção da lâmpada incandescente, temos realmente uma grande revolução tecnológica, que lança uma nova luz em nossas vidas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos