Desde el dopaje con luz para verduras hasta el tratamiento de agua

Los LED UV son robustos – por lo tanto, son ideales para la purificación móvil del agua. (© FBH/schurian.com)

Una planta moderna de epitaxia en fase gaseosa cuesta alrededor de 1,8 millones de euros, y se utiliza para la fabricación de LEDs UV. (© TU Berlín/P. Gupta)

Los LED UV especiales se utilizan en la producción de hortalizas. Estimulan a las plantas a producir especialmente muchas sustancias secundarias valiosas. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Las bacterias multirresistentes en hospitales preocupan al mundo médico: parecen extenderse casi en todas partes. Especialmente en los hospitales, el control de la desinfección se vuelve cada vez más importante. Para ello, se realizan regularmente raspados de objetos desinfectados. Las bacterias potencialmente adheridas se desprenden y se cultivan en un medio de cultivo. Si crece algo en el medio, significa que, a pesar de la limpieza, había bacterias; si no crece nada, la desinfección fue exitosa. Problema: este método lleva varias horas o incluso días.

«Cuatro quintos de estas muestras están libres de gérmenes, pero la pregunta es cuáles», dice el Prof. Dr. Michael Kneissl, director del departamento de Física Nanofísica Experimental y Fotónica en la TU Berlín.

«Cuando la superficie de estas muestras se ilumina con LEDs UV de diferentes longitudes de onda, ciertos biomoléculas en los gérmenes se excitan y comienzan a brillar. Así se puede detectar una posible carga de gérmenes. Y no solo eso: muchos gérmenes multirresistentes tienen espectros de fluorescencia característicos, por lo que en el futuro también podrían reconocerse directamente como tales», explica Michael Kneissl, quien también es portavoz adjunto del consorcio «UV Avanzado para la Vida». El consorcio, equipado con unos 45 millones de euros por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), cuenta con 49 socios y prueba en 26 proyectos en curso nuevos campos de aplicación para los LEDs UV. Y hay muchos. Los LEDs UV utilizados provienen en su mayoría de los laboratorios de la TU Berlín y del Instituto Ferdinand-Braun, que colaboran en su laboratorio conjunto «Electrónica Óptica de GaN» desde hace más de una década. Dependiendo de la longitud de onda, las posibilidades de uso de los LEDs UV son muy variadas y de gran interés económico: además de la desinfección, los campos de aplicación incluyen la medicina, el tratamiento de agua, la detección de gases, la litografía o la iluminación en el cultivo de plantas.

LED UV para la desinfección del agua

Las LEDs, o diodos emisores de luz, son conocidas como sucesoras de la bombilla incandescente. En última instancia, son componentes semiconductores emisores de luz que generan luz a partir de electricidad. Dependiendo del material semiconductor utilizado, estas LEDs también pueden emitir luz en el rango invisible, como la luz UV. Para ello, se usa una aleación de aluminio, galio y nitrógeno como material semiconductor. Estos semiconductores pueden cubrir casi todo el espectro ultravioleta (210 nm – 400 nm), según el tipo de fabricación.

«Una aplicación particularmente interesante de las LEDs UV es el tratamiento de agua», explica Michael Kneissl. La luz UV con longitudes de onda entre 250 nm y 280 nm tiene la propiedad de enlazar bases nucleicas en el ADN. Cuando el agua se somete a esta luz UV en alta intensidad, los gérmenes presentes en ella no pueden reproducirse y mueren. «En principio, este método es ideal para zonas donde no hay un suministro de agua funcional o, por ejemplo, en áreas de desastre», señala Kneissl. Tradicionalmente, la luz UV necesaria se produce con lámparas de vapor de mercurio, con las conocidas desventajas: su fabricación y eliminación son complicadas, el mercurio es tóxico, son sensibles y tienen una vida útil corta. Para su uso en el llamado «punto de uso», es decir, la aplicación inmediata antes del consumo, como en países en desarrollo o en zonas de desastre, estas lámparas son poco adecuadas. «En cambio, las LEDs UV son muy robustas, no tóxicas, se pueden encender y apagar fácilmente y, como semiconductores, también funcionan con energía solar o baterías», explica Kneissl.

1,8 millones de euros para una nueva planta de epitaxia en fase gaseosa

En la investigación y desarrollo de LEDs UV de onda corta con eficiencia y rendimiento adecuados, Michael Kneissl y su equipo son considerados líderes en Europa. «Para seguir avanzando en esta investigación, el Ministerio Federal de Educación e Investigación financia ahora un equipo adicional de aproximadamente 1,8 millones de euros para epitaxia en fase gaseosa de compuestos metálicos (MOVPE) en la TU Berlín», celebra el científico. «Los procedimientos de epitaxia se usan para fabricar las capas cristalinas extremadamente delgadas, como las necesarias en la producción de semiconductores. Para fabricar estos LEDs específicos, se deben depositar miles de capas definidas, de grosor atómico, sobre el sustrato. La estructura de estas capas determina al final qué tan eficaz se convierte la corriente en luz UV en el semiconductor. Dependiendo de la longitud de onda deseada, se construyen diferentes capas. La nueva planta permitirá fabricar y probar componentes para LEDs UV de manera mucho más rápida y eficiente», describe Kneissl, quien explica la complejidad de la fabricación de estos LEDs. «En nuestra publicación más reciente en Nature Photonics mostramos que la eficiencia total de los LEDs UV es un producto de las diferentes eficiencias parciales. Conocemos los parámetros individuales y estamos trabajando para optimizarlos. En el laboratorio, ya alcanzamos una eficiencia similar a la de las lámparas UV convencionales», añade el físico.

Dopeo lumínico en el cultivo de hortalizas

Las múltiples aplicaciones de los LEDs UV también han llevado al equipo del Instituto Leibniz para el Cultivo de Hortalizas y Plantas Ornamentales a centrarse en una alimentación saludable mediante lo que se denomina «alimentos funcionales» (alimentos con ingredientes que promueven la salud). Con un método que puede describirse como «dopeo lumínico», las hojas verdes se exponen a una luz UV débil, entre 290 nm y 350 nm. Esta exposición regulada a UVB estimula específicamente el metabolismo secundario de las plantas. Como reacción, sintetizan más ciertos compuestos secundarios que también se consideran muy saludables para los humanos. «El Instituto Leibniz para el Cultivo de Hortalizas y Plantas Ornamentales y el Instituto Ferdinand-Braun trabajan juntos para desarrollar módulos de LEDs UV que proporcionen el espectro UV óptimo para esto. El objetivo es un radiador de superficie que pueda usarse en un invernadero para exponer las plantas a una longitud de onda definida y en dosis precisas», explica Kneissl.