Contenido
¿Y USTED QUÉ OPINA?
Pág. 2
La luz: un fenómeno cotidiano pero no tan simple
ARTÍCULOS Y REPORTAJES Pág. 3
Pág. 5
¿Cómo se convierte la energía solar en energía eléctrica?
¿Será el Sol la fuente principal de energía en el futuro?
Pág.7 -Energía sustentable: Celdas fotovoltaicas orgánicas -Diversos tipos de celdas solares
Diana Arauz Mercado
Jesús Manuel Rivas Martínez
Pág. 10
¿Sabes lo qué hacen los ópticos?
Pág. 11
La luz y las comunicaciones
Victor Ulises Lev Contreras Loera David Armando Contreras Solorio Brenda Fabela Enríquez Luis Hernández García José Luis Maldonado Rivera Medel José Pérez Quintana Jesús Manuel Rivas Martínez Ariel David Santana Gil
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Microscopía de fluorescencia de súper resolución
Revista eek´(ISSN:2007-4565) es una publicación bimestral editada por el Consejo Zacatecano de Ciencia, Tecnología e Innovación (COZCyT). Av. de la Juventud No. 504, Col. Barros Sierra, C.P. 98090, Zacatecas, Zac. MÉXICO. Tel. (492) 921 2816 www.cozcyt.gob.mx, eek@cozcyt. gob.mx. Editora responsable: Gema A. Mercado Sánchez. Reservas de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012021711542800-102, otorgados por el Instituto Nacional de Derechos de Autor, Licitud de Título y Contenido No. 15706 otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Impresa por Compañía Periodística Meridiano S.A. de C.V. Blvd. Calzada de los Héroes 708, Col. La Martinica, León, Gto., C.P. 37500.
Diodo azul: Premio Nobel de Física 2014
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eek’en el Año Internacional de la Luz
eeK’ EN E L AÑ O IN TE RN ACIO NA L DE L A L U Z Medel José Pérez Quintana mjperezq17@gmail.com
La luz:
un fenómeno cotidiano pero no tan simple
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Young en los inicios del siglo XIX, convencieron a la comunidad científica de que la luz se comportaba como una sucesión de ondas y no de partículas. Más tarde, en la segunda mitad de ese siglo, después de los trabajos de Maxwell, quedó establecido que la luz se compone de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias.
Por ello no es extraño que, con el paso del tiempo, en el desarrollo de muchos grupos humanos, el Sol adquiriese un importante lugar en sus creencias y culturas. Y así como evolucionaron las interpretaciones sobre el cosmos, desde concepciones míticas y especulativas hasta representaciones racionales que trataban de reflejar la realidad objetiva, también las diferentes concepciones sobre la luz fueron abandonando interpretaciones subjetivas y, particularmente en la Europa posterior al Renacimiento, con el desarrollo continuo de la experimentación, se concretaron dos modelos capaces de explicar la reflexión, la refracción y algunas otras propiedades de la luz: un modelo, debido a Newton, en el que la luz es considerada como un flujo de partículas y otro modelo, debido a Huyghens, en el que la luz se comportaba como un proceso ondulatorio. La fama y autoridad alcanzadas por Newton que, además, había descubierto que la luz solar estaba compuesta de los colores del arcoíris, hizo que la comunidad científica de la época respaldase su modelo corpuscular y desdeñase el modelo ondulatorio.
Parecía entonces que todo estaba concluido. La luz era un fenómeno ondulatorio como había propuesto Huyghens. Pero, el conocimiento científico nunca es absoluto y siempre está sometido a que el análisis de fenómenos nuevos conduzca a nuevas interpretaciones del mismo. Y así sucedió. El efecto fotoeléctrico que, a fines del siglo XIX ponía en crisis a la teoría electromagnética, fue interpretado exitosamente por Einstein, en 1905, proponiendo que los rayos X, luz de frecuencia muy superior a las de los colores del espectro visible, al interaccionar con la estructura atómica de la materia, se comportaban como un flujo de partículas o fotones con energías proporcionales a la frecuencia de dicha radiación y no como ondas electromagnéticas. Con ello se estableció una nueva concepción: para entender la naturaleza de la luz debemos emplear el modelo de onda en determinados fenómenos y el de partícula en otros.
Sin embargo, los experimentos sobre la interferencia de la luz, desarrollados por Thomas
Este y otros descubrimientos abrieron las puertas a una nueva física: la física cuántica. Pero el siglo XX nos condujo a conocer nuevas e inesperadas propiedades de la luz. Por ejemplo, los fotones que carecen de masa, en determinadas condiciones, pueden “transformarse” en un par
electrón-antielectrón que son partículas masivas de materia y antimateria. Y, por supuesto, muchas otras sorpresas aparecerán sobre la luz, tan cotidiana pero tan compleja. Durante todo este proceso, aún en progreso, los humanos han desarrollado diferentes tecnologías basadas en las propiedades de la luz. Los telescopios, la fotografía, el espectroscopio y los radiotelescopios nos han permitido conocer el universo cada vez con mayor profundidad; los equipos de rayos X y los de resonancia magnética, los tomógrafos computarizados y muchos otros instrumentos han creado una revolución tecnológica en la medicina; y no hablemos del láser y de la fibra óptica que han propiciado el desarrollo de los videos, la TV, la interconectividad por internet, la utilización de novedosos teléfonos “inteligentes” permitiéndonos la comunicación casi inmediata a grandes distancias y transformando por completo nuestra civilización. ¡Qué fenómeno tan maravilloso es la luz que, a pesar de que todavía nos guarda impresionantes secretos, nos ha permitido alargar y enriquecer nuestras vidas!
¿Y usted qué opina?
esde centenares de miles de años atrás, mientras nuestros antepasados se iban humanizando durante su interacción con el medio ambiente, la sucesión del día y la noche debió provocarles una impresión colosal. La periódica aparición del astro rey con su emisión de luz y calor, que eliminaba las tinieblas y peligros de la noche, aunque no comprendida, pudo haber sido el fenómeno cósmico más notable de sus vidas.
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en energía eléctrica? Jesús Manuel Rivas Martínez jmrivas@uaz.edu.mx
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na de las principales fuentes inagotables de energía que poseemos es el Sol. En la actualidad, hay varias maneras de aprovechar la energía solar. Una de estas maneras es convertir la energía proveniente del Sol directamente en energía eléctrica usando paneles solares. Los paneles solares proporcionan energía eléctrica que se utiliza para hacer funcionar aparatos eléctricos convencionales. Los paneles solares, a su vez, están hechos de celdas solares individuales. Pero ¿cómo se convierte la energía solar en energía eléctrica en una celda solar? Conocemos como energía eléctirca a la energía transportada por la corriente eléctrica. La corriente eléctrica no es otra cosa que el movimiento ordenado o unidireccional de partículas que tienen carga eléctrica. Estas partículas con carga son los electrones de los átomos. Cada uno de los electrones de un átomo posee carga eléctrica negativa. Para que una celda solar proporcione energía se tiene que lograr que muchos electrones adquieran movimiento y salgan de la celda solar para hacerlos circular por un circuito. A este circuito se conecta un aparato eléctrico. Usemos como ejemplo un foco. Cuando los electrones llegan al filamento del foco, lo hacen funcionar, en este caso, lo encienden.
ARTÚCULOS Y REPORTAJES
Ahora bien, para lograr tener muchos electrones en movimiento ordenado en una celda solar, usamos la energía proveniente del Sol. La energía solar puede, en principio, separar unos cuantos electrones del material de la celda solar y con estos electrones se puede obtener una corriente eléctrica. A este fenómeno físico se le conoce como efecto fotovoltaico y ocurre en materiales semiconductores como el silicio. Sin embargo, la corriente eléctrica que se puede obtener bajo ciertas condiciones, de una pieza de silicio puro es demasiado pequeña y no puede usarse de manera práctica. Por lo tanto el silicio puro es modificado químicamente agregándole pequeñas cantidades de otros elementos.
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Para tener una cantidad mayor de electrones que puedan moverse libremente hacia el circuito, se agrega fósforo.
Al agregar fósforo al silicio se proporciona un electrón adicional por cada átomo de fósforo. De manera similar, es posible agregar al silicio un elemento que proporciona un hueco, un espacio en donde falta un electrón. Los huecos, al atraer a los electrones facilitan su movimiento. Un elemento como el boro proporciona un hueco por cada átomo de boro agregado. Así, una celda solar se hace con una pieza de silicio que se modifica agregando un poco de fósforo en un lado de la pieza y un poco de boro en el otro lado. Por diferencia de cargas eléctricas, negativas (electrones) y positivas (huecos) se establece dentro de la pieza de silicio un campo eléctrico. Este campo eléctrico proporciona una diferencia de potencial, o voltaje, similar al que se obtiene con una pila convencional. Además al formarse el campo eléctrico, se establece una barrera para que los electrones no puedan pasar directamente desde el lado del fósforo hacia el lado del boro por dentro de a celda. Para poder alcanzar el lado del boro, los electrones tienen que moverse a través de un alambre que conecta a ambos lados. El campo eléctrico dentro de la celda está siempre presente en la celda solar. Este campo no depende de la luz solar. Luego, si se conecta la celda solar a un foco, se forma un circuito con la celda, el foco y los alambres que los unen. La celda se expone a la luz solar para que ésta reciba energía del Sol. Esta energía es suficiente para liberar electrones de los átomos de fósforo. Este proceso de liberar electrones ocurre de manera continua mientras la luz solar inicia sobre la celda. Los electrones libres se mueven respondiendo al campo eléctrico presente en la celda solar. La diferencia de potencial, o voltaje, hace que los electrones en la pieza de silicio sean rechazados desde el lado del fósforo y atraídos hacia el lado del boro. Y como los electrones no pueden pasar por dentro de la celda, estos se mueven por el circuito encendiendo el foco. De esta manera la energía de la luz solar se convierte en energía eléctrica.
La siguiente figura muestra un esquema de conexión de un sistema fotovoltaico de acuerdo a esta configuración.
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Ahora, ¿cómo podemos aprovechar esta energía eléctrica? La cantidad de energía eléctrica que se obtiene de una celda solar es pequeña. Existen algunos aparatos eléctricos que pueden funcionar con esta energía. Pero para la mayoría de las aplicaciones es necesario aumentar la cantidad de energía eléctrica. Esto se logra construyendo un panel solar con celdas solares individuales. Así, un panel solar está formado por varias celdas solares conectadas de tal forma que la energía proporcionada por cada una de las celdas se suma para obtener la energía total del panel. Los paneles solares son entonces el componente fundamental de todo un sistema de generación de energía eléctrica, el cual funciona gracias a la energía solar. Al sistema completo le llamamos sistema fotovoltaico. Un sistema fotovoltaico puede instalarse ya sea conectado a la red de distribución de energía eléctrica o completamente independiente. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red de distribución ayudan a disminuir el consumo de energía proveniente de la red ya que el sistema fotovoltaico es capaz de proporcionar al menos parte de la energía eléctrica que necesitan los aparatos eléctricos. En caso de que el sistema sea independiente, es decir, que no esté conectado a la red de distribución eléctrica, será necesario incorporar al sistema un banco de baterías recargables las cuales almacenarán energía proveniente de los paneles solares para luego utilizarla cuando estos no reciban luz solar. Un sistema fotovoltaico de este tipo se compone de los paneles solares, las baterías y un inversor.
El inversor es un aparato que convierte la corriente directa producida por los paneles en corriente alterna utilizada por la mayoría de los aparatos eléctricos usados en el hogar. Además, el sistema utiliza un regulador de carga que se usa para controlar la cantidad de energía que se almacena en las baterías alargando así su vida útil. El sistema fotovoltaico se completa con cables de conexión, equipo de protección y soportes mecánicos. La configuración del sistema fotovoltaico más utilizada es la que proporciona corriente alterna a los aparatos eléctricos. En esta configuración se conectan los paneles solares directamente al regulador de carga y éste se conecta al banco de baterías recargables. El banco de baterías proporciona corriente directa así que esta energía se lleva al inversor para convertirla en corriente alterna y posteriormente se distribuye la energía a la instalación elécrtica convencional de una casa o edificio donde se conectan los aparatos eléctricos convencionales.
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¿Será el Sol la fuente principal de energía del futuro?
Medel José Pérez Quintana mjperezq17@gmail.com
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uestro universo es inmenso. Esas enormes regiones del espacio que separan las estrellas intensamente frías. Podríamos decir que vivimos en un universo muy frío. Sin embargo, las estrellas escapan a esa consideración. En el interior de las mismas existen temperaturas de millones de Kelvin lo que permite que se produzcan reacciones nucleares que liberan fabulosas cantidades de energía.
El Sol, la estrella más cercana a nuestro planeta, es una fuente renovable de energía. Tendrían que pasar miles de millones de años antes de que se agotase. La energía solar, transportada por la radiación que emite nuestra estrella, ha sido utilizada por los humanos desde el mismo instante lejano en que aprendimos a distinguir el día de la noche y el frío del calor. A las capas superiores de la atmósfera llegan 174 PW de energía proveniente del Sol (1 petawatt equivale a 1015 watt). El 70% de esa energía atraviesa la atmósfera y calienta las nubes, los océanos y el suelo. La luz solar, o radiación que transporta la energía, contiene frecuencias que van del infrarrojo al ultravioleta. La energía solar es la responsable de los vientos y huracanes, de la circulación atmosférica, del ciclo del agua y del almacenamiento de energía, mediante la fotosíntesis, en la biomasa de la que se derivan los combustibles fósiles. Todas las fuentes de energía del planeta, excepto las geotérmicas y las mareas, derivan de la energía solar. La energía solar que nos llega en sólo dos años es el doble de la energía que puede obtenerse del carbón, petróleo y uranio existentes en el planeta. El aprovechamiento tecnológico de la energía solar es, en la actualidad, muy variado. Las tecnologías usadas van desde aquellas que suministran energía, como las plantas fotovoltaicas y los calentadores solares, hasta las que sólo ayudan a reducir el consumo de energía, como las casas diseñadas para aprovechar más eficazmente la luz solar. Mencionemos algunas de las primeras.
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En latitudes cercanas al ecuador, debajo de 40°, se usan calentadores solares que elevan la temperatura del agua hasta 55 o 60 grados Celsius. En el planeta se obtienen más de 170 GW por este método. China es el país que lleva la delantera en esta tecnología con más del 50% de la capacidad instalada. También se desarrollan con rapidez las instalaciones destinadas a la utilización de la energía solar en la climatización artificial de casas y edificios. Además, desde hace varias decenas de años se construyen concentradores solares que utilizan sistemas ópticos para concentrar la luz solar sobre un depósito con un fluido. Esto aumenta su temperatura y le permite ser utilizado como fuente posterior de energía para ser utilizada directa o indirectamente. Generalmente estas instalaciones tienen un sistema de rastreo que sigue el movimiento aparente del Sol.
Páneles solares
¿Por qué envenenar la atmósfera quemando combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas si tenemos a nuestra disposición esa maravillosa estrella que nos suministrará energía por miles de millones de años?
Avión movido con energía solar
Concentrador de luz solar
Calentador solar de agua
Referencias [1]Solar Energy Perspectives: Executive Sumary(PDF).Internacional Energy Agency. 2011 Archived from the original on 2011-12-03 http:// www.webcitation.org [2] Radiation Budget. NASA Langley Research Center. 2006-10-176 http://marine.rutgers.edu [3] Word total Net Electricity Consumption, 1980-2005. Energy Information Administration http://www.eia.doe.gov [4]Solar energy Technologies and Applications. Canadian Renewable Energy as a Primary Source of Energy http://www.webcitation.org
Estos dispositivos pueden ser usados para cocinar, desecar o pasteurizar los alimentos
La base fundamental de las plantas fotovoltaicas es la celda solar. Este es un dispositivo que transforma en electricidad una parte de la energía solar que recibe. Su funcionamiento está basado en el efecto fotoeléctrico descubierto en el siglo XIX y explicado teóricamente por Albert Einstein en 1905. Las plantas fotovoltaicas emplean gran número de paneles solares constituidos por agrupaciones regulares de celdas solares. Estos paneles se colocan de modo que reciban la máxima cantidad de radiación solar durante el día. La electricidad producida necesita de varios cambios técnicos antes de ser incorporada a la red de distribución normal. Los paneles solares constituyen una tecnología muy prometedora.
En la actualidad se emplean también para suministrar energía a nuevos modelos de autos, de barcos y hasta de aviones. Otras tecnologías aprovechan la luz solar para producir reacciones químicas. Algunas de ellas se usan para producir hidrógeno y otras para el funcionamiento de baterías galvánicas o de celdas fotoelectroquímicas. Estas últimas producen electricidad a partir de la luz solar. Las tecnologías para la utilización de la energía solar están en pleno desarrollo. No caben dudas de que se trata de una fuente de energía segura, limpia y siempre disponible para toda la humanidad. Actualmente es considerada una solución para tratar de atenuar la rapidez con la que contaminan el planeta los combustibles fósiles.
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Energía sustentable:
Celdas fotovoltaicas orgánicas
José Luis Maldonado Rivera jlmr@cio.mx
A
nivel mundial la reducción de las reservas de los combustibles fósiles (petróleo particularmente) muestra la necesidad urgente de contar con fuentes alternas de energía que sean preferentemente renovables, limpias y económicas tales como la eólica, la hidroeléctrica y la solar. La búsqueda de estas fuentes alternas es uno de los más importantes retos que actualmente la humanidad enfrenta.
Celdas OPVs integradas para dar energía a productos personales
Mochila con celda solar
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En particular, la energía solar está siendo explotada de varias formas, pero el método más familiar usa celdas solares basadas en silicio donde la transformación directa de la luz del Sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efecto PV por sus siglas en inglés). Estas celdas solares inorgánicas han sido optimizadas y actualmente pueden operar con eficiencias de conversión de potencia eléctrica mayores al 20%. No obstante, la tecnología PV basada en semiconductores inorgánicos como el silicio y otros, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que implican un costo alto que no es rentable para determinadas aplicaciones y que hasta ahora ha restringido su uso masivo. Una alternativa para disminuir los costos de fabricación, de producción masiva y de mínima generación de residuos contaminantes es mediante el uso de semiconductores orgánicos en sustitución del tradicional silicio. Las células fotovoltaicas orgánicas (celdas OPVs, por sus siglas en inglés) han sido propuestas como un medio de obtener energía barata debido a su facilidad de producción, su peso ligero, y la compatibilidad con sustratos flexibles. Las celdas OPVs presentan actualmente una eficiencia de alrededor de 9% aunque en algunos casos han superado el 10%. Tanto el incremento de la eficiencia y de la vida útil de las celdas OPVs, así como del almacenamiento de la energía eléctrica obtenida, permitirán a mediano
plazo competir con la tecnología inorgánica convencional. Otra dificultad que se observa en la producción de celdas inorgánicas, en particular con silicio cristalino, es su rigidez, la nula transparencia óptica y su masa que es considerable. Por el contrario, el uso de las celdas OPVs estará enfocado en mochilas (ya hay prototipos), portafolios, carpas para fiestas, para circos, para reuniones, en estaciones de autobuses (ya hay prototipos), en ventanas de edificios, etc. Todo lo anterior para alimentar eléctricamente pequeños dispositivos como celulares y pequeñas lámparas de iluminación. Todas estas aplicaciones pueden hacerse realidad dada la flexibilidad y transparencia de esta nueva tecnología polimérica. Estas propiedades se deben a que las celdas OPVs pueden fabricarse totalmente a partir de polímeros plásticos con grosores del orden de 100 nm. En este sentido, se prevé que ambas tecnologías de celdas solares (inorgánica y orgánica) serán complementarias en un futuro encontrando cada una de ellas sus aplicaciones particulares. Para que las celdas OPVs tengan realmente un impacto comercial profundo es necesario que las eficiencias de conversión de luz solar a eléctrica alcancen valores mayores que el 10%, su tiempo de vida se extienda a varios años y se cuente con sistemas de almacenamiento de energía adecuados. Para lograr este impacto se hace notar que el número de publicaciones y de grupos de investigación en este campo se han incrementado considerablemente en los últimos años en todo el mundo. En México, el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), de la División de Fotónica en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) ha consolidado en los últimos años una línea de investigación sobre fotónica y opto-electrónica basada en materiales orgánicos y sus aplicaciones.
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Diversos tipos de
Uso en ventanas y edificios
celdas solares David Armando Contreras Solorio dacs@yahoo.com.mx
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Celdas OPV
Celdas OPVs transparentes y de colores (cuidados de estética y gustos del cliente)
Esta línea de investigación ha sido producto del trabajo multidisciplinario e interinstitucional por medio de una estrecha colaboración con investigadores de distintos departamentos de química y ciencias de materiales, se han logrado algunos resultados significativos que nos han dado experiencia para desarrollar celdas OPVs eficientes. Hasta donde sabemos, este grupo es a nivel nacional el que ha logrado mayores aportaciones científicas en el área de la fotónica y opto-electrónica orgánicas. Es en este sentido que en el GPOM-CIO, en conjunto con investigadores de la UNAM, el CINVESTAV-DF, la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad Autónoma del Estado de México-UNAM (UAEMex-UNAM), la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (UACM), la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEMor), la Universidad de Guanajuato y de otras instituciones, se realizan estudios químicos, eléctricos, estructurales y ópticos sobre una variedad de nuevos materiales orgánicos fotónicos donde un uso en concreto es la fabricación de celdas solares La experiencia adquirida por los investigadores del CIO les ha permitido desarrollar celdas OPVs cuya eficiencia esperan mejorar considerablemente en el futuro cercano. NOTA Este es un resumen breve del artículo del Dr. Maldonado. El artículo completo se puede consultar en www.cozcyt.gob.mx/eek/articulos/fotoceldas.pdf
l Sol, nuestra estrella, es la principal fuente que proporciona energía a nuestro planeta. De ahí provienen los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas que se formaron de restos de plantas hace millones de años y que, en su momento, absorbieron energía de la luz solar mediante la fotosíntesis. También del Sol proviene indirectamente la energía hidroeléctrica, la eólica y la biomasa. Actualmente el 85% del consumo mundial de energía proviene de combustibles fósiles, los cuales no son renovables y la velocidad con que se consumen los agotará en poco tiempo. Además, debido al desprendimiento de dióxido de carbono, producen grave daño ambiental. Sin embargo, nuestro planeta recibe anualmente del Sol diez mil veces más energía que la que consumimos en el mismo tiempo y continuará proporcionando energía al mismo ritmo durante unos cinco mil millones de años más. Actualmente existen dos tecnologías para aprovechar la energía solar. Una aprovecha la energía solar para producir calor y la otra para producir electricidad. Ésta última está basada en el empleo de celdas solares o fotovoltaicas. Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad. Existen diversos tipos de celdas solares pero su empleo está condicionado por su costo, durabilidad y eficiencia. Esta última mide qué porcentaje de la energía que incide sobre la celda es transformado en energía eléctrica. Las celdas más generalizadas y durables trabajan en base a un dispositivo semiconductor llamando unión p-n, el cual tiene un campo eléctrico interno que separa las cargas eléctricas producidas por la luz solar en el semiconductor, para producir corriente y voltaje. La mayoría de ellas usan el silicio (Si) como material semiconductor porque es un material muy abundante en la corteza terrestre, muy duradero y compatible con el medio ambiente. Puede usarse en forma monocristalina, policristalina y amorfa.
En un sólido monocristalino sus átomos están colocados de la misma manera ordenada en todo el volumen. En un policristalino están los átomos ordenados en pequeñas regiones independientes unas de otras, mientras que en un sólido amorfo los átomos no están colocados con ningún orden. El 87% de las celdas solares en el mundo están hechas de silicio monocristalino y policristalino. La eficiencia de estas celdas anda entre el 15 y 20%. Las que usan el silicio amorfo ocupan aproximadamente el 5% del mercado mundial. Las ventajas de las celdas de silicio amorfo es que son más baratas y la capa de silicio necesaria en la celda es mucho más delgada que las de silicio mono y policristalino. Estas celdas son más baratas, y pueden ser fabricadas de manera que sean flexibles. Su desventaja es que tienen una eficiencia menor, la cual anda en el 10%. Otro tipo de celdas solares p-n son las fabricadas con teluro de cadmio (CdTe). Estas celdas han alcanzado una eficiencia relativamente alta de aproximadamente el 16%. Sus desventajas consisten en la poca abundancia del telurio y en la toxicidad del cadmio. También se producen celdas solares, tipo p-n, de arseniuro de galio (GaAs). Este material semiconductor absorbe mucha luz solar y las celdas pueden alcanzar alta eficiencia. Es muy resistente al calor y puede usarse con sistemas de espejos o lentes que concentran la luz solar sobre las celdas aumentando todavía más su eficiencia. El problema es que el galio es caro, aunque con el uso de concentradores solares se necesita menor área de celdas y ello disminuye el costo. Por otra parte, el arsénico es un elemento venenoso con efectos nocivos ambientales. 8
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Un aspecto atractivo es que el GaAs es muy resistente al daño por diversos tipos de radiación. Ésto, junto con su eficiencia, lo hace muy deseable para usos especiales, siendo el material preferido de las celdas solares de los satélites. El récord de eficiencia para una celda solar de capa delgada con solamente una unión p-n lo tiene el GaAs con 27.6% usando solamente una capa de una micra de espesor de GaAs. Una micra es la milésima parte de un milímetro. Las celdas solares de GaAs son las preferidas que se usan en los prototipos de autos, barcos y aviones impulsados por energía solar construidas en los últimos años. Otros tipos de celdas solares p-n son las constituidas con seleniuro de cobre indio galio (CuInGaSe), mejor conocidas como celdas solares CIGS, por la letra inicial de cada uno de sus elementos. La eficiencia de estas celdas anda en el 14% pero puede incrementar hasta 30% usando concentradores solares. Su eficiencia es alta y sus componentes no contaminan el ambiente, pero resultan bastante caros. El Sol emite radiación constituida por ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda. Esta amplia distribución de longitudes de onda recibe el nombre de espectro de emisión del Sol. Cada material semiconductor tiene una propiedad física intrínseca llamada brecha de energía, la cual permite aprovechar, en una celda solar, solamente una porción particular del espectro de emisión del Sol, digamos el rojo, y el resto se desperdicia.
ARTÚCULOS Y REPORTAJES
Las llamadas celdas solares tándem o celdas multiunión consisten, básicamente, en varias uniones p-n construidas con semiconductores de diferentes brechas de energía y dispuestas de tal modo que aprovechan una parte mucho mayor del espectro solar, alcanzando de esta manera mucho más altas eficiencias. Su desventaja es que resultan muy caras por lo que su uso se ha limitado a los satélites espaciales. Por ejemplo, la estación espacial internacional usa este tipo de celdas. El récord de eficiencia de las celdas solares lo tiene una celda tándem que alcanza una eficiencia de 43.5% bajo luz concentrada del Sol. Además de las anteriores se han desarrollado las celdas solares cuánticas, que también aprovechan una mayor parte del espectro del Sol, de manera análoga a las celdas tándem, pero su fabricación es más simple. Están construidas con una sola unión p-n en la que se colocan varias capas de espesor nanométrico cuyos efectos cuánticos permiten la variación de la brecha de energía y un aprovechamiento mayor del espectro solar. Estas celdas no son baratas.
También existen celdas solares que funcionan de manera diferente, como las celdas solares sensibilizadas con colorantes y las celdas solares orgánicas. Las celdas solares con colo9 rantes consisten en una capa de unas micras
de espesor de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) que tienen en la superficie un colorante muy absorbente de la luz solar; a un lado de capa TiO2 hay una capa de electrolito. La producción de corriente y voltaje se logra separando las cargas producidas por la luz solar mediante procesos electroquímicos. Este tipo de celda es el que más se acerca a simular el proceso de fotosíntesis de las plantas. La ventaja de estas celdas es que los materiales utilizados son muy baratos y abundantes, y no tienen problemas ambientales. Además su proceso de fabricación es muy sencillo y pueden hacerse de materiales flexibles. La eficiencia de estas celdas ya ha alcanzado el 12%. La desventaja es que su duración no es grande, y a la larga se ven afectadas por la radiación ultravioleta y las altas temperaturas. Las celdas solares orgánicas están fabricadas con materiales orgánicos moleculares o poliméricos con vinilo polifenileno, ftalocianina y una mezcla de polímeros conocida como PEDOT. Estas celdas solares son construidas con capas de materiales orgánicos de espesor nanométrico. Son muy delgadas, flexibles y ligeras, además no crean problemas ambientales y son baratas. Su eficiencia nada en el 8%. También pueden fabricarse celdas solares tándem usando diferentes compuestos orgánicos para aprovechar mejor el amplio espectro solar. Estas celdas orgánicas tándem han alcanzado eficiencias cercanas al 12%. Una desventaja actual de las celdas orgánicas es su poca durabilidad y estabilidad a altas temperaturas.
¿Sabes lo qué hacen los
ópticos? Víctor Ulises Lev Contreras Loera ulev22@gmail.com
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a primera imagen que una persona genera en su mente al escuchar la palabra ÓPTICA quizá sean unos lentes. Y efectivamente, la óptica está muy ligada a estos pequeños instrumentos capaces de desviar la trayectoria de la luz y amplificar las imágenes, con los cuales se pueden corregir los problemas de visión de una persona miope o astigmática, o con los que se pueden fabricar telescopios y microscopios extendiendo las capacidades de la visión humana. Pero en la actualidad quizá estos instrumentos no sean los más adecuados para definir lo que la Óptica significa y a lo que un óptico se dedica profesionalmente. La Óptica es una de las ramas de la Física con mayor impacto tecnológico en la sociedad y estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, así como su interacción con la materia. Palabras y términos como: fotón, láseres, fibras ópticas, celdas solares, sistemas de iluminación, metrología, diseño óptico, holografía, por mencionar algunas, son necesarias para generar una idea más acertada de lo que implica la Óptica. Así pues, la vida profesional de un óptico está vinculada con los sectores científicos, académicos y tecnológicos de la sociedad y dista mucho de las actividades profesionales que realizan un optometrista o un oftalmólogo (profesiones con las que generalmente se confunde a un óptico).
e ek’ EN EL AÑ O IN TE RN ACIO NA L DE L A L U Z Figura 1 Imagen ilustrativa de experimentos donde se pretende controlar el clima usando láseres de alta potencia. En la imagen se ilustra cómo la energía de un láser puede enfocarse sobre un punto de la atmósfera, ionizando el aire a su alrededor. Este fenómeno de ionización inducido por láser condensaría el vapor que posteriormente se precipitaría en forma de lluvia.
Desde el punto de vista científico, la importancia de la Óptica en la ciencia moderna es tal que la Sociedad Óptica de América (OSA por sus siglas en inglés), fundada en 1916 con el objetivo de difundir conocimientos de la óptica pura y aplicada, se honra con tener entre sus miembros a 31 científicos galardonados con el Premio Nobel por sus contribuciones en el campo de la Óptica y su impacto en otras disciplinas de la Química, la Física y la Medicina. Aunado a estos 31 premios, otros 45 científicos que no pertenecieron a la OSA (principalmente porque no se había fundado la sociedad) fueron galardonados por sus trabajos y descubrimientos relacionados con la Óptica sumando un total de 76 premios en la historia de los Nobel. Desde el punto de vista tecnológico, la Óptica, al igual que otras ciencias como la Química o la Biología, tiene como objetivo principal resolver problemas de nuestra sociedad y mejorar nuestra calidad de vida. Por ejemplo, dispositivos ópticos como los láseres son cada vez más comunes en cirugías y otras aplicaciones médicas, mejorando así la calidad de los servicios de clínicas y hospitales de forma considerable. Los láseres han llegado a formar parte de nuestra vida cotidiana y como ejemplo podemos mencionar los reproductores de música y video que tenemos en casa (el funcionamiento de los lectores de DVD o Blu-Ray depende de un láser). Sin embargo, las aplicaciones de los láseres no terminan en un hospital o en nuestro hogar, sino que pueden llegar hasta donde la imaginación de los científicos les permita, como lo demuestra por ejemplo, una serie de experimentos en la Universidad de Ginebra (Suiza) en donde se pretende controlar el clima a través de láseres de alta potencia. Los experimentos consisten básicamente en enfocar en cierto punto de la atmósfera un láser de alta potencia con energía suficiente para ionizar el aire y condensar el vapor de agua que en él se encuentra, lo que en principio produciría nubes y consecuentemente lluvia en una región deseada (figura 1). Gracias a los avances tecnológicos y estudios próximos, no sería extraña la idea de que en un futuro cercano el hombre tenga la capacidad de decidir dónde y cuándo lloverá, generando beneficios importantísimos en sectores económicos como en la agricultura, por mencionar una posible aplicación.
En el campo de las telecomunicaciones, las fibras ópticas se han convertido en las “rock stars” de la transmisión de información y los científicos e ingenieros buscan romper los límites del ancho de banda actual de las telecomunicaciones. Gracias a estos avances, es totalmente justificable pensar que en algunos años podremos descargar de internet una película en alta definición (formato Blu-Ray por ejemplo) en cuestión de segundos. En áreas como la Biología, algunas técnicas como las pinzas ópticas son utilizadas para “atrapar” y manipular microorganismos, permitiendo estudiar el comportamiento de forma aislada de células, proteínas individuales, ADN, etc. Seguramente al lector le resultará impresionante la idea de atrapar y manipular un objeto microscópico con luz sin siquiera “tocarlo” físicamente. Las pinzas ópticas resultan de la ingeniosa combinación de diversos dispositivos ópticos como un láser y un microscopio. Estos son sólo algunos ejemplos donde podemos ver que la Óptica (al igual que la luz) está involucrada en muchos procesos naturales y actividades cotidianas de nuestras vidas. Así pues, la próxima vez que escuches la palabra “Óptica”, quizá ya no sólo la relacionarás con los lentes y los ojos. Láseres, holografía, procesamiento digital de imágenes, cámaras, luz, interferencia, ondas, fibras ópticas, pinzas ópticas…, esto es Óptica, y ¡ésto es un poco de lo que hacemos los ópticos!
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ARTÍCULOS Y REPORTAJES
Pero los láseres no son los únicos protagonistas en la óptica moderna (en la figura 2 se ilustran ejemplos del uso del láser). En un incendio, la visión de un bombero está bloqueada por el humo y el fuego cuando se buscan víctimas; en estos casos generalmente los visores infrarrojos no son útiles, ya que no se distingue entre el calor generado por una persona y el calor producido por el fuego mismo del incendio. Investigadores italianos trabajan en un prototipo basado en holografía capaz de identificar a una persona más allá del calor y luz de las flamas.
Este prototipo, basado principalmente en técnicas holográficas y en un rápido procesamiento digital de imágenes captadas por cámaras especiales, está en proceso de miniaturizarse para que el equipo sea portátil y un bombero pueda cargarlo a sus espaldas, dispositivo que seguramente salvará muchas víctimas de los incendios en un futuro próximo.
Figura 2 Aplicaciones de láseres en nuestra vida cotidiana: a) Reproductores de discos formato Blu-ray y DVD; b) Puntero (apuntador) láser; c) Corte de metales con alta resolución; d) Cirugías láser.
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La luz
e e k ’ E N E L A Ñ O I N T E RN AC IO NA L D E LA LUZ
y las comunicaciones
Ariel David Santana Gil davs22000@yahoo.com
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esde hace siglos el ser humano ha intentado desarrollar sistemas de comunicación para enviar mensajes a grandes distancias. En los casos más precarios y primitivos la comunicación se hacía con chiflidos, señales de humo y hasta a gritos. Estas formas de comunicación eran de alcance muy limitado y altamente dependientes de las condiciones climáticas, geográficas y hasta subjetivas. El progreso de la humanidad ha requerido del desarrollo de sistemas de comunicación cada vez más rápidos y con los cuales se puedan transmitir grandes volúmenes de información a largas distancias de forma estable, segura y eficiente. Se puede afirmar que las comunicaciones han transformado nuestra civilización. No se concibe el mundo moderno sin un sistema de comunicación eficiente. Hoy en día, en segundos, podemos establecer una conversación con nuestros familiares que viven en otra ciudad, realizar una transferencia de dinero sin salir de nuestra casa u oficina o ver un video musical que está alojado en un servidor en otro país. ¿Cómo es posible? ¡Es posible, en gran medida, gracias a la luz!
artículos y reportajes
Desde tiempos inmemorables la luz procedente del cielo nos trajo información sobre la existencia, características y movimientos de los cuerpos celestes. Al principio no sabíamos interpretar la información procedente del universo que venía codificada en la luz. Pero el triunfo paulatino del razonamiento científico sobre la especulación y los mitos nos fue mostrando mucha de esa información. Hoy podemos conocer, analizando la luz que emite una estrella, su edad aproximada, la naturaleza de los elementos que la constituyen, las características de su movimiento y otras variables importantes. Aprender a descifrar el significado de la información contenida en la luz ha sido un paso imprescindible en el desarrollo científico y tecnológico que nos ha permitido lograr la hazaña humana de utilizar la luz para transmitir la información que deseamos llevar de un punto a otro.
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Comencemos por aclarar que utilizaremos la palabra luz para designar el conjunto de frecuencias (colores) de la radiación electromagnética cuya acción sobre nuestros ojos nos permite ver los objetos que nos rodean. Sin embargo, debemos aclarar que, en física, a veces se designa como luz a la radiación, de cualquier frecuencia, contenida en el espectro electromagnético. Así, para los físicos, las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, o los rayos X, por citar algunas partes de dicho espectro son consideradas como luz aunque no sirvan para la visión humana. Por ejemplo cuando un físico escribe “cuantos de luz” realmente se refiere a cuantos de radiación de cualquier frecuencia y no necesariamente al espectro visible. La idea de usar la luz como medio de comunicación surge hace más de 150 años. Uno de los primeros intentos fue el heliógrafo. Éste utiliza un espejo para reflejar la luz del sol hacia un punto distante. El mensaje a trasmitir se codifica según el código Morse. Interrumpiendo la luz reflejada en intervalos de tiempo cortos o largos, según el código Morse, se transmite el mensaje. En el punto receptor una persona interpreta los destellos de luz que observa y traduce el código Morse a texto legible. Este sistema presenta varias desventajas como: la dependencia de las condiciones climáticas, ya que en días nublados es imposible transmitir. También es necesario tener visibilidad directa entre transmisor y receptor y además, el mensaje puede ser visto por otra persona que puede interceptarlo e interpretarlo. Pero con el desarrollo de las pilas eléctricas y los sistemas de generación de electricidad, se eliminó parte de la dependencia climática al sustituir la luz solar por una fuente artificial de luz. Comúnmente se utilizaba un reflector con una lámpara emisora de una luz intensa. Muy pronto se desarrollaron otras tecnologías y estos equipos quedaron casi en desuso. Actualmente muchos de los sistemas de comunicación modernos también hacen uso de la luz para transferir grandes cantidades de datos, si bien es cierto que lo hacen de manera diferente.
Hilos sintéticos de kevlar Loose buffers
Fibras
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EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Longitud de onda (en metros)
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Estadio
Comparación de las longitudes de onda
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Molécula de agua
Punto ortográfico Radiación ionizante
Radiación no ionizante Nombre común de las ondas
RADIOFRECUENCIAS
INFRARROJOS
ULTRAVIOLETAS
RAYOS GAMMA
Visible RAYOS X SUAVES RAYOS X FUERTES
Longitud de onda
Microondas
Fuentes
Líneas eléctricas
Torres de radio AM
Frecuencia ciclos por segundo Energía de un fotón (electrón voltios)
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Torres de radio FM
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Sin embargo, cada uno de nosotros, como usuarios finales de un sistema de comunicación, no hacemos uso directo de las tecnologías basadas en la luz porque intercambiamos bajos volúmenes de información. Y, en tal caso, la información llega a nuestras casas mediante señales eléctricas que viajan a lo largo de un cable de cobre o mediante radiación fuera del espectro visible como las ondas de radio y TV. A pesar de lo dicho, podemos considerar que utilizamos indirectamente la transferencia de datos a través de la luz porque las comunicaciones entre centrales telefónicas, torres de telefonía celular y grandes servidores locales, nacionales o internacionales, se realizan por medio de cables de fibra óptica. Una llamada internacional a un familiar en Europa o la descarga de un video desde YouTube hacen parte de su trayecto por estos cables de fibra óptica antes de llegar a nuestras computadoras o teléfonos.
Referencias http://es.wikipedia.org/wiki/Luz http://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n_%C3%B3ptica http://micursofisica.blogspot.mx/p/optica.html Física, Conceptos y Aplicaciones, 7ma Edición, Paul E. Tippens
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Hornos de microondas
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Radiadores
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El Sol
Arco de soldadura
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Permite, además, transferir varias veces más datos que con las corrientes en los cables de cobre tradicionales. Junto con lo anterior, la transmisión por fibra óptica entre dos lugares distantes presenta menos retardo que en el caso de las conexiones satelitales en las que la señal recorre mayores distancias. En estos sistemas, el transmisor presenta un elemento emisor de luz que puede ser un LED (Diodo Emisor de Luz, por sus siglas en inglés) o un LASER. En el otro extremo, en el receptor, existe un elemento capaz de detectar las variaciones de la luz (fotodiodo). Ambos elementos están conectados por medio de una fibra óptica. Las señales eléctricas generadas en el transmisor son convertidas por medio de un LED en pulsos de luz que son conducidos por el cable de fibra óptica. En el receptor, el fotodiodo detecta las variaciones de luz y las convierte nuevamente en pulsos de corriente que son interpretados por los circuitos electrónicos. De esta forma se efectúa una transmisión usando la luz como portadora de la información. Hay mucha más tecnología y conceptos involucrados en este proceso, pero hemos intentado describirlo de forma simple. El mundo entero está interconectado, prácticamente, gracias a esta tecnología que utiliza la luz como medio de transmisión de información. Las empresas internacionales de telecomunicaciones han instalado largos cables de fibra óptica entre continentes y de esta forma conectan, por medio de luz, los grandes centros de datos donde se procesan, guardan o se retransmiten grandes volúmenes de información. La radiación electromagnética que transmite la información que captan las antenas de radio, de televisión o del teléfono celular así como las microondas, las se-
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Equipo de Rayos X 17
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Fuentes radiactivas 19
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ñales de redes WiFi y Bluetooth no producen en nuestra retina los efectos que dan paso a la visión. Un experimento sencillo e interesante se puede hacer con la radiación infrarroja cuyo rango de frecuencias se encuentra justo por debajo del límite inferior del espectro visible. Esta radiación se usa en los mandos de varios equipos electrónicos que tenemos en casa para controlarlos remotamente. Por medio de ellos les comunicamos a nuestros equipos la información de la función que deseamos que realicen. Nuestros ojos no son sensibles a dicha radiación pero con ayuda de una cámara digital, como la de los teléfonos actuales, podemos detectarla. El sensor de la cámara digital sí es sensible al infrarrojo y podemos ver en la pantalla de la cámara, un destello de luz, en alguna de las frecuencias del espectro visible, provocado por la señal emitida por el mando del control remoto. Usted mismo puede apreciar el hecho anterior apuntando un mando de control remoto a la cámara de su celular. Al presionar alguna tecla del dispositivo de control remoto, la señal infrarroja recibida por la cámara, será transformada por una señal visible. En la última década, la radiación infrarroja se está usando para las transmisiones por fibra óptica más que la luz visible porque la señal sufre menos atenuación al ser transmitida por la fibra óptica. En este artículo se presenta el concepto de luz y algunos de sus usos en las comunicaciones y un pequeño experimento fácil de realizar. Si se lo propone, encontrará muchos más usos de la luz, tanto aplicados a las comunicaciones como en muchas otras ramas de la ciencia y la tecnología.
Artículos y reportajes
Los cables de fibra óptica son hilos muy finos y transparentes hechos a base de vidrio (tetracloruro de silicio, de germanio, de fluoruros, entre otros) o de plásticos especiales. Su función consiste en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, de tal manera que este no atraviese el revestimiento, sino que se propague y mantenga dentro de la fibra por reflexión total interna. La luz, que lleva la información deseada, se propaga a través de la fibra con bajas pérdidas y bajo ruido a grandes distancias (ruido, en comunicaciones, es cualquier señal no deseada que se mezcla con la señal que queremos transmitir). La transmisión hecha de esta forma no se afecta por interferencia electromagnética, como sucede durante una tormenta con una transmisión basada en corriente eléctrica, o por variaciones de temperatura.
Teléfonos móviles y antenas
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Y IO NUNA ESTL ROS M I TLUZ OS e e k ’ E N E L AEL Ñ OC EREBRO I N T E RN AC D E LA
Microscopía d e f l u o re s c e n c i a d e s ú p e r re s o l u c i ó n Brenda Fabela Enríquez faebrenda.33@gmail.com
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Imagen 1 a Asamblea General de la Organización de las Naciones Unidas declaró el presente año como el “Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz”. Pareciera que es coincidencia que en el año 2014 tanto el Premio Nobel de Física como el de Química hayan sido otorgados a desarrollos importantes en óptica, que es la rama de la física que estudia las leyes y los fenómenos de la luz.
La microscopía es el conjunto de técnicas y métodos destinados a hacer visibles objetos que son demasiado pequeños para verlos a simple vista. Los primeros microscopios simples fueron desarrollados por el holandés Anton van Leeuwenhoek a finales del siglo XVI, cada uno de los cuales estaba conformado de un pequeño lente; este adelanto le permitió describir microorganismos y tejidos. Posteriormente, el inglés Robert Hooke utilizó microscopios que consistían por primera vez en un lente objetivo y un ocular, aumentando la potencia de magnificación de estos instrumentos. Sin embargo, para mediados del siglo XIX no había aún alguna teoría sobre la formación de imágenes por microscopio, a pesar de las mejoras hechas en su diseño. Fue Ernst Abbe el primero en aplicar principios físicos a este problema. Su teoría se basaba en la idea de que la resolución de la imagen formada por un microscopio se ve afectada por la difracción de las ondas de luz, esto es, que son desviadas por el efecto inevitable de rozar los bordes de las lentes. Su teoría puso un límite natural (debido a la naturaleza ondulatoria de la luz) a la capacidad de los microscopios para ver objetos más pequeños, también llamado barrera de difracción. No obstante, esto ha permitido el desarrollo de distintas técnicas de microscopía y dispositivos microscópicos con mejor resolución. Entre ellas, está la microscopía de fluorescencia, la cual emplea luz visible para la iluminación del objeto. La principal característica de esta técnica es la utilización de tintes y/o biomarcadores, llamados fluoróforos, que son compuestos químicos diseñados para adherirse a cierto tipo de moléculas y que absorben luz de una longitud de onda específica para emitir luz en otra longitud de onda en un tiempo después relativamente corto, lo cual es conocido como fluorescencia. La muestra se prepara con los fluoróforos y se ilumina con la luz láser adecuada para poder obtener las imágenes deseadas por medio de un detector. A pesar de que esta técnica aumenta la resolución obtenida con la microscopía óptica tradicional, con una resolución de 200 a 300 nm (imagen 1) y que además permite obtener imágenes de muestras vivas y de una manera no invasiva (a diferencia de, por ejemplo, la microscopía electrónica), presenta algunas desventajas, por ejemplo, la obtención de imágenes con mucho “ruido”, lo cual disminuye su potencial. Es por esto que varios científicos comenzaron a trabajar en nuevas técnicas que pudieran saltar la barrera de resolución impuesta por la difracción.
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EL C ER Y ONUESTROS MIT NA O S L DE L A L U Z eek’ ENEBRO EL AÑ IN TE RN ACIO
Imagen 2
Entre las décadas de 1990 y 2000 se publicaron varios artículos con los cuales se da inicio a una nueva área de microscopía, llamada “microscopía de fluorescencia de súper resolución”. Las técnicas pertenecientes a ésta se subdividen en dos categorías: microscopía por iluminación modulada y microscopía por obtención de imágenes de moléculas aisladas (o de localización).
En la primera categoría se utiliza un patrón de luz determinado con el cual iluminar la muestra, que permite manipular la emisión fluorescente. En pocas palabras, se utiliza un segundo láser para suprimir la emisión espontánea de fluorescencia de los fluoróforos situados fuera del centro de la excitación, alcanzando una mayor resolución de 60 – 70 nm (imagen 2).
Comparación de imagen de microtúbulos de la célula Drosophila S2 con microscopía iPALM (izquierda) con microscopía de fluorescencia tradicional (derecha). (Pointilistic Portraits. J. A. Galbraith, G. Shtengel, H. F. Hess, and C. G. Galbraith.
Entre las técnicas de esta categoría están la microscopía por reducción estimulada (STED por sus siglas en inglés), propuesta teóricamente por Stefan W. Hell en 1994, y comprobada experimentalmente por T. A. Klar en el 2000; y la microscopía por iluminación estructurada (SIM) desarrollada por M. G. Gustaffson y R. Heintzmann. La diferencia entre ambas es que utilizan patrones de iluminación distintos. En la segunda categoría, se determina la ubicación espacial (o las coordenadas) utilizando diversos parámetros de cada molécula con alta precisión, con lo cual se puede reconstruir una imagen de alta resolución del complejo molecular. El concepto de microscopía por localización fue implementado en el 2006 por Eric Betzig, Samuel Hess y Xiaowei Zhuang de manera independiente. El rango de resolución alcanzado puede llegar de 1 a 10 nm.
Las principales técnicas de esta categoría son la microscopía de localización por foto activación (PALM o FPALM) y microscopía por reconstrucción óptica estocástica (STORM), entre otras. Todas ellas tienen numerosas aplicaciones en ciencias como la biología, la medicina y la ciencia de materiales. Por medio de las imágenes obtenidas se pueden estudiar con mayor profundidad diversas propiedades de estructuras y complejos moleculares, como el ADN, el ARN, proteínas, etc., así como la morfología de nano-estructuras, además de la comprensión de diversos procesos biológicos y procesos catalíticos de algunos sólidos, lo que permitirá el avance de éstas ciencias de forma prácticamente ilimitada. Los resultados de estos esfuerzos, fueron reconocidos al otorgar el Premio Nobel de Química 2014 a los científicos Eric Betzig, Stefan W. Hell y William Moerner “por el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de súper resolución”. Sin duda su trabajo, en conjunto con el de miles de científicos alrededor del mundo, sigue dando luz a nuevos conocimientos, por encima de la barrera de la difracción. Referencias [1] Habuchi Satoshi Super-resolution molecular and functional imaging of nanoscale architectures in life and materials science. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 2014.
[2] Hell S. W. Toward fluorescence nanoscopy. Nature Biotechnology, 2008. [3] Schermelleh L ., Heintzmann R., Leonhardt H. A guide to super-resolution fluorescence microscopy. JCB, 2010. [4] http://www.cell.com/pictureshow/super-resolution [5] http://www.microscopyu.com/articles/superresolution/index.html
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Diodo azul Premio Nobel de Física 2014 Luis Hernández García luismanhz@yahoo.com
David Armando Contreras Solorio dacs10@yahoo.com.mx
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a Real Academia de las Ciencias de Suecia anunció el pasado octubre que los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura, habían sido distinguidos con el Premio Nobel de Física 2014 por inventar el diodo emisor de luz (LED) azul. Esta aportación se inscribe en “el espíritu de Alfred Nobel” de llevar a cabo inventos que generen un gran beneficio a la humanidad, argumentó el comité. La Academia los ha encumbrado por su “invención de diodos emisores de luz azul eficientes, que ha permitido fuentes de luz blanca eficientes y que ahorran energía”. El LED, subrayó el comité, es “una nueva luz para iluminar el mundo”, más eficiente y respetuosa con el medio ambiente al ahorrar energía.
Desde la década de los setenta del pasado siglo, Isamu Akasaki comenzó sus trabajos para la obtención del LED azul. Posteriormente en 1981 ocupó una plaza de profesor en la Universidad de Nagoya y continuó sus investigaciones con, su entonces estudiante de doctorado, Hiroshi Amano así como con otros colaboradores. Mientras Shuji Nakamura inició sus investigaciones a los finales de la década de los ochenta en Nichia Chemicals, una pequeña compañía localizada en la isla de Shikoku. En 1994 presentó sus trabajos de investigación y obtuvo su título de doctor en la Universidad de Tokushima. Después de intensos conatos con Nichia Corporation en 1999 se traslada a la Universidad de California, en Santa Bárbara, como profesor de Ciencia en Materiales en donde ha desarrollado más de 100 patentes. Desde los años setenta del pasado siglo se conocía cómo fabricar un LED y un diodo láser que emitieran en el rojo, gracias a la invención de la heterounión, por bielorruso Zhores I. Alfiórov recibió el Premio Nobel de Física en el 2000. También se conocía, en teoría, cuáles materiales semiconductores podían emitir en el azul. Sin embargo, durante casi 30 años se pretendió encontrar el material adecuado para la fabricación de los diodos azules. Tres materiales fueron los candidatos: SiC, ZnSe dentro de los materiales semiconductores II-VI y GaN de la familia de III-V. El SiC inmediatamente se descartó por no tener una buena eficiencia en convertir la corriente en luz. Muchos investigadores se inclinaron por los II-VI, incluyendo a uno de los autores (LHG), porque podía crecerse el material sobre un sustrato de GaAs, muy común en la industria electrónica. Pocos pensaban, entre los que se incluía a el otro autor (ACS), que la solución era el GaN, que permitía un mayor número de posibilidades en la emisión de la luz azul, pero el gran problema era la dificultad de crecer materiales con buenas propiedades eléctricas sobre sustrato de zafiro. El GaN fue el material escogido por Akasaki, Amano y Nakamura, el cual finalmente tuvo éxito para la fabricación
del LED azul. Ningún grupo fue capaz de crecer películas de GaN de calidad apropiada. Siempre fue visto como un esfuerzo baldío el tratar de acoplar las superficies entre GaN y el zafiro. Por otra parte, era prácticamente imposible introducir impurezas tipo p las películas de GaN, lo cual es imprescindible para crear el diodo. No obstante, Akasaki estaba convencido por propia experiencia, que la elección de GaN era la correcta y continuó investigando con Amaro. Por otra parte, Nakamura también había elegido el GaN antes de la alternativa del ZnSe que muchos consideraban un material más prometedor. En 1986, Akasaki y Amano fueron los primeros en tener éxito en la obtención de una película de GaN de alta calidad mediante la inclusión durante el crecimiento de una capa de AlN entre el sustrato de zafiro y el GaN. Unos años más tarde, a finales de la década de 1980, Akasaki y Amano hicieron un gran avance cuando obtuvieron una película de GaN de tipo p. Todo esto lo lograron modificando las técnicas de crecimiento establecidas por las propias. En 1992 fueron capaces de presentar su primer diodo emisor de luz azul brillante. En tanto, Nakamura comenzó a desarrollar el LED azul en 1988. Dos años más tarde, él también, tuvo éxito en la obtención de capas de GaN de alta calidad. Él encontró su propia forma inteligente: primero creció una capa delgada de GaN a baja temperatura, y después creció capas subsiguientes a una temperatura superior. Por otra parte, el método de obtención de capas tipo p de GaN desarrollado por Akasaki y Amano no era adecuado para la producción masiva y más aún la física del proceso no era bien entendida. Nakamura desarrolló un método de recocido térmico que impurificaba las películas como GaN tipo p y que era mucho más adecuado para la producción en masa. Además, él y sus colaboradores lograron explicar la física del proceso de impurificación, identificando al hidrógeno como el elemento pasivante.
Referencias
Un LED está constituido por varias capas de material semiconductor, en donde la electricidad es convertida directamente en partículas luminosas, fotones, sin emisión de calor, a diferencia de otras fuentes de luz, como los focos incandescentes o lámparas fluorescentes.