Znajdź zawartość

Prace naukowców z Purdue University dają nadzieję na upowszechnienie się diod LED na rynku. Diody te są znacznie bardziej wydajne, energooszczędne i trwałe niż obecnie używane żarówki oraz świetlówki. Ich główną wadą jest zaś wielokrotnie wyższa cena. Tradycyjne LED-y wykorzystują szafir, który znacząco podnosi ich koszty. Uczonym z Purdue właśnie udało się zastąpić go krzemem. W szafirowych diodach materiałem emitującym światło jest azotek galu. Ponadto diody te korzystają z systemu luster, które obija światło tak, by nie było tracone. Te trzy elementy: szafir, azotek galu i lustra powodują, że diody są około 20-krotnie droższe od żarówek. Dotychczas nie udawało się zastąpić szafiru tańszym krzemem, ponieważ nie wiedziano, jak pokryć krzem odpowiedniej jakości metaliczną powłoką odbijającą światło. Amerykańscy naukowcy wykorzystali do tego celu azotek cyrkonu. Związek ten jest jednak niestabilny w obecności krzemu i reaguje z nim. Problem rozwiązano umieszczając na krzemie izolującą warstwę azotku glinu. Uczeni w komorze próżniowej bombardowali cyrkon i glin pozytywnie naładowanymi jonami argonu. Atomy metali były wybijane przez jony argonu i wchodziły w reakcję ze znajdującym się w komorze azotem. W wyniku tego procesu na krzemie odkładał się azotek glinu i azotek cyrkonu. Następnie w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza za pomocą techniki epitaksji z fazy parowej dodano azotek galu. Znajdujące się na krzemie azotki cyrkonu, glinu i galu utworzyły krystaliczną strukturę, odpowiednią do produkcji diod LED. Dodatkową zaletą nowej technologii, oprócz znacznego obniżenia kosztów, jest fakt, iż krzem lepiej niż szafir rozprasza ciepło, co powinno skutkować zwiększoną żywotnością diod krzemowych. A ta może sięgać być może nawet 15 lat. Jeśli zastąpimy obecne żarówki diodami, możemy zaoszczędzić aż 30% energii zużywanej na oświetlanie. Oznacza to 10-procentową oszczędność w poborze energii w ogóle i odpowiednią redukcję emisji węgla do atmosfery - mówi profesor Timothy Sands. Informuje przy tym, że obecnie wydajność żarówek wynosi zaledwie 10%, a więc aż 90% pobieranej energii zamieniają one na ciepło, a nie na światło. Na rynku już teraz obecne są diody LED, których wydajność sięga 64 procent. Kosztują one jednak około 100 dolarów. Badania naukowców z Purdue powinny pozwolić na obniżenie ceny tego typu urządzeń do około 5 USD. Sands wierzy, że nowe diody trafia na rynek w ciągu 2 lat. Naukowcy muszą się jeszcze nauczyć, jak zmniejszyć liczbę wad fabrycznych oraz w jaki sposób zapobiec niszczeniu się warstwy azotku galu podczas schładzania plastrów krzemowych.

Dzięki pracom japońskich naukowców kryptografia kwantowa pokonała jedną z ostatnich przeszkód na drodze do upowszechnienia się. Stworzyli oni system, dzięki któremu możliwe jest wykorzystanie kryptografii kwantowej do szyfrowania transmisji wideo. To niezwykle ważny z punktu widzenia praktycznego zastosowania - powiedział Hoi-Kwong Lo, fizyk z University of Toronto. Obecnie wykorzystywane techniki szyfrowania zakładają, że bez znajomości poufnego klucza poznanie treści zaszyfrowanej wiadomości wymaga tak olbrzymich nakładów czasu i mocy obliczeniowych, że odcyfrowanie jej jest niewykonalne. Jednak nigdy nie ma pewności, że podsłuchujący nie dysponuje odpowiednimi zasobami, pozwalającymi mu w krótkim czasie złamać nasze klucze szyfrujące. Dlatego też specjaliści zwrócili się w stronę kryptografii kwantowej. Jest ona o tyle bardziej bezpieczna, że samo odczytanie klucza szyfrującego zmienia jego zawartość. A zatem osoby go używające będą natychmiast wiedziały, że są podsłuchiwane, chociaż teoretycznie - o czym informowaliśmy - możliwe jest również podsłuchanie i takiej transmisji. Poważnym problemem stojącym na przeszkodzie w upowszechnieniu się kryptografii kwantowej była prędkość działania tego typu systemów - zbyt mała, by nadawały się do większości zastosowań. Rozwiązaniem może być najnowsza propozycja Toshiby. Japończycy zastosowali zmodyfikowane półprzewodnikowe fotodiody lawinowe. Gdy do takiej diody dotrze foton, powoduje on powstanie lawiny wyładowań elektrycznych. Tworzenie się takiej lawiny zajmuje jednak sporo czasu, co znacząco ogranicza prędkość pracy detektora. Specjalistom z Toshiby udało się stworzyć diody, które wykrywają mniejsze lawiny niż dotychczas, a zatem działają szybciej. Ponadto same fotodetektory udoskonalono tak, że różnice w długości połączeń optycznych urządzeń nie przekraczały kilku nanometrów. Bez tego cały system zatrzymywałby się co kilka minut, by urządzenia mogły się skalibrować. Dzięki takim działaniom możliwe było przesyłanie kluczy kwantowych na odległość 50 kilometrów z prędkością megabita na sekundę, a cały system pracował nieprzerwanie przez 36 godzin. Dotychczas możliwe było albo wysyłanie kluczy z prędkością kilku kilkobitów na sekundę, albo przyspieszenie do megabita na sekundę, ale wówczas system działał tylko przez kilka minut. Przed specjalistami jest jeszcze sporo pracy. Obecnie bowiem informacja szyfrowana kluczem kwantowym musi być odszyfrowywana i ponownie szyfrowana na każdym węźle sieci, co naraża cały system na atak. Ostatecznym celem ekspertów pracujących nad kryptografią kwantową jest doprowadzenie do splątania pomiędzy urządzeniami osób przesyłającymi sobie kwantową wiadomość. To dałoby pewność, że tylko odbiorca będzie w stanie ją odszyfrować. Jednak by tak bezpieczna sieć powstała najpierw muszą zostać skonstruowane regeneratory sygnału (wtórniki). Bez nich komunikacja kwantowa jest bezpieczna tylko pomiędzy węzłami sieci. Same węzły mogą zostać zaatakowane. I, jak zauważa Masahide Sasaki z japońskiego Narodowego Instytutu Technologii Informacyjnej i Komunikacji, który pracował nad nowym systemem, im doskonalsze urządzenia znajdą się w węzłach, tym łatwiej będzie je zaatakować.

Sharp opracował niebiesko-fioletową diodę laserową, która jest w stanie zapisywać dane na trój- i czterowarstwowych dyskach Blu-ray. Dioda emituje światło o długości fali 405 nanometrów i mocy 500 mW. To wystarczy do zapisania kilkuwarstwowych Blu-ray z 8-krotną prędkością. Nowa dioda powstała dzięki nowym metodom produkcji jednej ze ścian kryształu półprzewodnika. Zwykle jest ona pokryta dielektrykiem. Sharp wykorzystał dodał jednak dodatkową warstwę azotku glinu, umieszczoną pomiędzy kryształem a dielektrykiem. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenie jest bardziej wytrzymałe. Sharp informuje, że nie dochodzi do jego degradacji nawet po 1000 godzinach pracy w temperaturze poniżej 80 stopni Celsjusza przy pojedynczym impulsie trwającym 30 nanosekund. Na razie nie wiadomo, kiedy nowa dioda trafi na rynek, gdyż nie istnieje nawet specyfikacja dla trój- i czterowarstwowych Blu-ray. W bieżącym roku Sharp rozpoczął produkcję 320-miliwatowych diod dla jedno- i dwuwarstwowych nośników Blu-ray.

Naukowcy z Cambridge University opracowali nowy sposób produkcji LED, dzięki któremu dziesięciokrotnie potanieją diody zapewniające olbrzymie oszczędności energii i mogące służyć przez kilkadziesiąt lat. Mowa tutaj o diodach, w których wykorzystano azotek galu (GaN), sztucznie uzyskiwany półprzewodnik, zapewniający jasne światło przy niewielkim zużyciu energii. Diody te pozwalają obniżyć rachunki za oświetlanie o 75% w ciągu 5 lat. Nowe diody świecą przez 100 000 godzin. Jeśli zatem średnio będziemy zapalali je na 4,5 godziny w ciągu doby, to wystarczą na... 60 lat. Tego typu diody mogą w końcu trafić do naszych domów, gdyż uczeni z Cambridge opracowali nową metodę produkcji azotku galu. Zamiast, jak się to robi obecnie, hodować go na szafirze, wykorzystali oni krzemowe plastry. Cena jednej diody produkowanej nową techniką nie przekraczałaby 3 dolarów. Naukowcy wyliczają, że gdyby zastosować diody GaN LED w każdym domu i biurze Wielkiej Brytanii, to energia potrzebna na oświetlenie nie stanowiłaby 20%, a 5% całości energii zużywanej w Zjednoczonym Królestwie. Oszczędności byłyby równe wyłączeniu 8 elektrowni. Kolejne zalety GaN LED to natychmiastowe osiąganie przez nie maksymalnej jasności oraz możliwość stosowania ściemniaczy światła. Diody GaN już pracują. Wykorzystano je do oświetlenia Pałacu Buckingham oraz Clifton Suspension Bridge. Zaczynają pojawiać się w lampach błyskowych aparatów, telefonach komórkowych, światłach do rowerów, w oświetleniu autobusów czy samolotów. Ponadto światło ultrafioletowe emitowane przez GaN LED pomaga w oczyszczaniu wody i działa bakteriobójczo w szpitalach. Teraz mogą trafić też do naszych domów.

Diody LED, miniaturowe półprzewodnikowe źródła światła, kojarzą nam się głównie z różnego rodzaju elektronicznymi gadżetami. Okazuje się jednak, że mogą one nawet... redukować zmarszczki. O odkryciu informują naukowcy z Uniwersytetu w Ulm. Wpływ światła widzialnego o wysokiej intensywności na ludzkie tkanki jest analizowany od co najmniej czterdziestu lat. Od pewnego czasu wiadomo na przykład, że może ono przyśpieszać gojenie się ran. Teraz, dzieki badaniom przeprowadzonym przez Andreia P. Sommera oraz Dana Zhu z Instytutu Mikro- i Nanomateriałów należącego do Uniwersytetu w niemieckim Ulm, wiemy także, że mogą one wpływać na wygląd naszej skóry oraz redukować głębokość zmarszczek. Jak donoszą badacze, wystarczy zaledwie kilkutygodniowa terapia intensywnym światłem emitowanym przez diody elektroluminescencyjne (ang. Light Emitting Diodes - LED), by uzyskać efekt odmłodzonej skóry, zmniejszenia głębokości zmarszczek, młodo wyglądającej cery oraz trwałej sprężystości. Za dobroczynne działanie światła diod odpowiada najprawdopodobniej jego zdolność do wchodzenia w interakcje z cząsteczkami wody. Wysyłane fale wnikają w skórę i rozkładają warstwę wody otaczającą cząsteczki elastyny - białka mającego ogromny wpływ na sprężystość skóry. Dzięki terapii struktura tkanki rozluźnia się, a molekuły elastyny odzyskują swobodę ruchu. Pozwala to na przywrócenie elastyczności całej skóry. Czy opracowana technika pozwoli na stworzenie atrakcyjnej alternatywy dla wstrzyknięć botoksu? Tego nie wiadomo, ale sami badacze są pełni optymizmu: mamy podstawy, by przypuszczać, że zaprezentowane przez nas podejście może z łatwością zostać zastosowane na potrzeby programów głębokiej odnowy ciała. Jeśli tak się stanie, chętnych niemal na pewno nie zabraknie.

Coraz więcej amerykańskich miast zastępuje tradycyjne oświetlenie uliczne diodami LED. Plany ich zainstalowania ogłosiło właśnie miasto Ann Arbour koło Detroit. Urzędnicy oceniają, że po zainstalowaniu LED-ów wydatki na oświetlenie ulic zmniejszą się o 100 000 dolarów rocznie, a cała inwestycja zwróci się w ciągu czterech lat. Burmistrz John Hieftje zauważył, że diody pracują przez 10 lat, gdy tymczasem obecnie stosowane żarówki trzeba wymieniać do dwa lata. Ponadto miasto zyska też czystsze powietrze. Dzięki przejściu na LED emisja dwutlenku węgla zmniejszy się tak, jakby z ulic zniknęło 400 samochodów. Wdrożenie projektu potrwa dwa lata, a jego koszt oszacowano na 630 000 USD. Rozbieżność z podanymi wcześniej 100 tysiącami dolarów i zwrotem inwestycji w 4 lata wynika stąd, że w ciągu tych 4 lat konieczna byłaby 2-krotna wymiana tradycyjnych żarówek. Specjaliści mówią, że 22% energii zużywanej w USA jest przeznaczanej właśnie na oświetlenie. Departament Energii szacuje, że gdyby diody LED szeroko się rozpowszechniły, to wartość ta spadłaby o połowę. Zastosowanie diod planuje też kanadyjskie Toronto. W przypadku tak wielkiego miasta oszczędności są jeszcze bardziej oczywiste. Miasto zaoszczędzi rocznie 6 milionów dolarów na kosztach energii elektrycznej, a emisja dwutlenku węgla spadnie o 18 000 ton.

Organiczne diody OLED prawdopodobnie będą w przyszłości jednym z najważniejszych źródeł światła. Dotychczas ich główną wadą był dość krótki czas życia. Niemiecka firma Novaled ogłosiła właśnie, że poradziła sobie z tym problemem i wyprodukowała diodę, która świeci przez 100 000 godzin. Jej wydajność wynosi 35 lumenów na wat, a jasność do 1000 kandeli na metr kwadratowy. Koordynaty CIE wynosiły przy tym x,y=0,43/0,44, a współczynnik oddawania barw (CRI) był równy 90. Gdy jasność nowej diody wynosiła 4000 cd/m2, efektywność była równa 31 lm/W i nie zauważono żadnych znaczących zmian w wartościach CIE i CRI. Jan Birnstock z Novaledu stwierdził, że w niedługiej przyszłości wydajność diod tej firmy wyniesie 100 lumenów na wat, przy równie długim, co obecnie, czasie pracy. Do produkcji diody Novaled wykorzystała opracowane przez siebie materiały. Jeden z nich to materiał fluoroscencyjny odpowiedzialny za światło niebieskie, a drugi jest materiałem fosforescencyjnym i odpowiada za emisję światła zielonego i czerwonego.

Profesor Andrew Steckl z University of Cincinnati, który specjalizuje się w badaniach nad diodami LED, postanowił użyć do ich produkcji... spermę łososi. „Materiały biologiczne mają wiele cech ważnych z technologicznego punktu widzenia – elektroniczne, optyczne, strukturalne, magnetyczne” – tłumaczy profesor. Profesor szuka biologicznego materiału, który mógłby zostać wykorzystany jako warstwa blokująca elektrony w diodach. Im więcej elektronów jest blokowanych, tym więcej światła emituje dioda. Obecnie do ich blokowania wykorzystuje się przede wszystkim materiały nieorganiczne, jednak naukowcy od dawna próbują wykorzystać materiały organiczne, która mają znacznie lepsze właściwości. Jednak niektóre materiały, takie jak białka i DNA, są trudne do powielania – mówi Steckl. Szukał więc materiału, który jest łatwo dostępny, tani, nie trzeba go wykopywać z ziemi i nie podlega kontroli żadnego rządu ani organizacji. Sperma łososi uznawana jest za odpad. Jest wyrzucana całymi tonami. To materiał naturalny, odnawialny i całkowicie biodegradowalny – stwierdził naukowiec. Zauważa też, że materiał tego typu rozwiązuje podstawowy problem, jakim jest koszt. Koszt dla producenta, koszt dla konsumenta i koszt dla środowiska. W tej chwili profesor testuje próbki spermy łososi przysyłane mu przez naukowców z całego świata. W najbliższej przyszłości rozpocznie sprawdzanie innych materiałów biologicznych. Jego celem jest stworzenie diody LED, która w całości byłaby zbudowana z takich naturalnych, odnawialnych i biodegradowalnych materiałów. Badania Steckla są finansowane przez amerykańskie lotnictwo wojskowe.

Japońska Nichia opracowała diodę LED, której wydajność wynosi 150 lumenów na wat. To ponad 11-krotnie więcej, niż wydajność lamp jarzeniowych i 1,7-krotnie więcej niż w przypadku lamp fluoroscencyjnych. Nichia twierdzi, że jej diody są bardziej wydajnej nawet od lamp sodowych, co czyni je najbardziej wydajnym źródłem światła. Nowe LED-y korzystają z prądu o natężeniu 20 mA, a ich jasność wynosi 9,4 lumena. Temperatura światła jest równa 4600 K. Diody zbudowane są z niebieskiego układu LED i żółtego materiału fluoroscencyjnego.