Las pantallas digitales que incorporan materiales orgánicos han dado inicio a una nueva era en la electrónica de consumo, ofreciendo ventajas significativas en comparación con las fabricadas con cristales convencionales. Los diodos emisores de luz orgánicos, conocidos como OLED, permiten la fabricación de dispositivos como teléfonos plegables que pueden duplicar el tamaño de su pantalla al abrirse. Sin embargo, a pesar de los avances en la tecnología OLED, se estima que actualmente se desperdicia aproximadamente el 50% de la luz que emiten, un déficit que parecía inevitable debido a las limitaciones físicas de la luz. Un estudio reciente, liderado por el profesor Binghai Yan del Departamento de Física de Materia Condensada, podría cambiar la forma en que se iluminan los dispositivos OLED en el futuro.
Descubrimiento de un nuevo método
En este estudio colaborativo, los investigadores han descubierto un nuevo método para controlar una propiedad clave de los OLED. Esta técnica implica nuevos diseños de dispositivos que podrían allanar el camino para la fabricación de pantallas que sean más eficientes energéticamente y que tengan un mayor potencial en el mercado. Además, se ha demostrado que estos nuevos dispositivos podrían ofrecer capacidades de transmisión de datos mucho más rápidas que las tecnologías existentes en la actualidad, mostrando un enorme potencial para los semiconductores de próxima generación.
Entendiendo la quiralidad
Para comprender las limitaciones de brillo de la última generación de OLED, es necesario considerar el concepto de quiralidad, un término que proviene del griego y significa “mano”. En el contexto de la física, la quiralidad se refiere a la autorrotación de partículas en relación con su movimiento. Cuando los fotones o electrones fluyen, no solo se mueven a través del espacio, sino que también giran. Esta rotación puede ser en la misma dirección en la que viajan, lo que se denomina dextrógira, o en la dirección opuesta, conocida como levógira.
En biología y química, los objetos quiral son imágenes especulares entre sí, como las manos. La mayoría de las moléculas orgánicas, como el ADN y las proteínas, son dextrógiras. La interacción entre diferentes tipos de quiralidad es considerable y la geometría del material orgánico determina cómo pasan a través de ellos. Esto es relevante para muchas aplicaciones de visualización, ya que una capa exterior transparente hecha de un material quiral solo permite que una mano (la dextrógira) salga, bloqueando así la entrada de la otra, lo que podría neutralizar la luz ambiental entrante. Si esta luz pasara, reduciría el contraste de la pantalla, dificultando su uso en condiciones de luz intensa, como al navegar en un teléfono inteligente al mediodía.
Propuesta innovadora
El equipo de investigación propuso maneras que antes se consideraban imposibles. La propuesta consiste en que los dispositivos emitan predominantemente en una quiralidad específica, logrando que emitan simultáneamente en direcciones opuestas (uno hacia adelante y otro hacia atrás). Para ello, se equipan con un panel posterior recubierto de un polímero que contiene un diodo quiral, que permite atravesar obstáculos. En lugar de perder luz, esta rebota en un lado hasta que golpea un diseño que invierte su trayectoria, convirtiendo la rotación en luz y conduciendo a una emisión fuertemente polarizada.
Resultados experimentales
Los hallazgos de este estudio fueron sorprendentes y desafiaron el conocimiento previo en el campo. El Dr. Li Wan, quien era postdoctoral en la Universidad de Linköping en Suecia, descubrió que ahora se podía amplificar la luz en materiales orgánicos. “Estos hallazgos contradecían completamente todo lo que se sabía en el campo, y a otros científicos les costaba creerlo”, recuerda Yan. El supervisor de doctorado de Wan, Alasdair Campbell, había demostrado que podían invertir el flujo en una instalación experimental modificando la polaridad de la batería que genera corriente eléctrica. Cada vez que cambiaban la fuente de alimentación, la constante cambiaba. A medida que cambiaban los materiales, el hallazgo contradecía el conocimiento de los libros de texto de la época.
Después del fallecimiento de Campbell en 2021, Yan buscó en conferencias en línea sobre el tema. En una de estas conferencias, se discutió cómo utilizar conceptos cuánticos para explicar el comportamiento de los electrones. Al analizar los experimentos junto a otros científicos, como Yizhou Liu y el profesor Matthew J. Fuchter del Imperial College de Londres, Wan terminó demostrando que estos eran, de hecho, reales. Además, se aseguró de que los electrones salieran volando siguiendo la trayectoria del flujo, preservando su giro, similar al de una bala. “Hemos revelado una unidad intrigante de aspectos aparentemente relacionados con la geometría estructural del material, la lateralidad y, finalmente, la luz”, dice Yan, resumiendo el estudio.
Aplicaciones futuras
Además de mejorar la eficiencia de las pantallas, los hallazgos podrían aplicarse en la creación de interruptores ópticos que funcionen más rápido que los mecánicos, invirtiendo la quiralidad para indicar 0 y 1. Para que esto sea posible, los dispositivos deberán actualizarse teniendo en cuenta la quiralidad. Yan, quien nació en China y se mudó a Israel con su esposa e hijos en 2017 después de realizar un posdoctorado en Alemania y Estados Unidos, se sintió personalmente identificado con los descubrimientos del Instituto Weizmann.
Algunos de los nuevos dispositivos tienen una luminiscencia de 1.000 nits, una unidad que se utiliza para medir el brillo, equivalente a la salida de una vela por metro cuadrado. En comparación, una sala de cine típica tiene televisores que, hace 10 años, tenían un brillo inferior a 500 nits.
