Diodos orgánicos: patente javeriana que innova los dispositivos energéticos

Diodos orgánicos: patente javeriana que innova los dispositivos energéticos

Desde el fuego y la vela, pasando por lámparas de aceite, bombillos incandescentes y luces fluorescentes, el mundo ahora ilumina sus noches con dispositivos LED —diodos emisores de luz, por sus siglas en inglés—, porque son más eficientes: emiten más cantidad de luz por vatio de electricidad suministrado y consumen menos energía. Ahora los investigadores incursionan en esos mismos sistemas de iluminación, pero a partir de diodos orgánicos —OLED—, que representan una importante contribución a las tecnologías de alta eficiencia, en el marco de las energías verdes. En ellos, el material encargado de emitir la luz es una molécula orgánica y su uso se extiende más allá de iluminar el planeta cuando la luna se esconde. La Universidad Javeriana no se queda atrás. Con equipos e insumos de alta tecnología, el mejor personal científico y el acompañamiento de la Dirección de Innovación de la Vicerrectoría de Investigación, el grupo Películas Delgadas y Nanofotónica patentó un dispositivo para la industria de la iluminación que puede ser útil en la fabricación de tabletas, televisores o celulares.

Los antecedentes de la iluminación

Gracias a los dispositivos LED, el mundo empezó a usar relojes digitales, dice el físico Juan Carlos Salcedo Reyes, integrante del grupo de investigación; ya no era necesario mirar las manecillas, simplemente los números electrónicos de color rojo facilitaban la lectura de la hora. Lo mismo ocurrió con los CD y las calculadoras. El reto era buscar materiales que dieran la posibilidad de jugar con otros colores. “Los LED desarrollaron las comunicaciones ópticas. Pero si se pudiera tener LED de los tres colores (RGB por red, green y blue) era posible producir otros colores para hacer televisores, pantallas gigantes, incluso semáforos”. Estos, recuerda Salcedo, se producían con un bombillo y un pedazo de vidrio de color que funciona como un filtro. “Ahora son de LED, funcionan con muy poca energía y producen mucha luz”. El rojo se logró en 1960 y el azul solo se pudo producir hasta 2002.

Así se ve una pantalla OLED de 36 pixeles.
Así se ve una pantalla OLED de 36 pixeles.
Avances en ‘nanoenergías’

Si cada uno de estos inventos lumínicos ha revolucionado la manera de ‘ver’ el mundo, la tecnología LED revolucionó la física. Estos dispositivos funcionan a partir de la teoría cuántica, desarrollada a comienzos del siglo XX, gracias a la cual tenemos pantallas gigantes en estadios y centros comerciales, pantallas táctiles en las tabletas y celulares, pantallas con los tres colores que forman todos los demás. El uso de material orgánico con propiedades de semiconductor —es decir, que es posible controlar la conducción de electricidad a partir de parámetros externos— es una tecnología emergente, pero de rápido desarrollo.
Mediante la incorporación de nanoesferas de dióxido de silicio (SiO2) de 250 nanómetros de diámetro —un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro—, los científicos javerianos evidenciaron una mejora en la eficiencia energética de hasta un 50%.

Ubicado en algo así como un ‘nanosanduche’, el componente orgánico del OLED forma parte de un dispositivo de varias capas superdelgadas, que se observa en la Figura 1. La base es un vidrio donde se pone un metal que equivaldría a la primera tajada de pan; como la idea es que la luz la atraviese, debe ser transparente y por eso se usa óxido de indio dopado con estaño, mejor conocido como ITO. La siguiente nanocapa corresponde a una molécula orgánica, también transparente, encima de la cual se ‘riega’ un polímero luminiscente orgánico —MDMO-PPV—, el cual contiene las nanoesferas o cristal coloidal. Finalmente, se cubre el dispositivo con una capa metálica que lo corona: el pan que completa el nanosanduche. En el caso de la patente de invención javeriana, la novedad ha sido la mejora en la eficiencia de la luz que emite al utilizar cristales coloidales, los cuales funcionan como una lente que concentra la luz y la enfoca para un mismo lado, en lugar de que salga dispersa hacia todas partes. La estructura ordenada se observa en la Figura 1b.

Los OLED tienen varias ventajas: bajo costo de fabricación en comparación con los LED, gastan poca energía, emiten mucha luz y con ellos es posible “producir dispositivos tanto micrométricos, adecuados para fabricar pantallas de alta definición, como de gran área, para producir grandes paneles de iluminación”, explica Salcedo. Su principal desventaja es su corto tiempo de vida (alrededor de mil horas en los más sofisticados), debido a la degradación de las moléculas orgánicas al contacto con el oxígeno. “En eso se está trabajando muchísimo porque se debe garantizar al menos 12.000 horas de vida”, continúa Salcedo.

Miembros del grupo de investigación en Películas Delgadas y Nanofotónica en el área de fotolitografía del laboratorio.
Miembros del grupo de investigación en Películas Delgadas y Nanofotónica en el área de fotolitografía del laboratorio.
¡Eureka!

La primera vez que los miembros del grupo gritaron ¡eureka! fue cuando les prendió el primer dispositivo en el que incluyeron los cristales coloidales, es decir, los OLED modificados. Hubo luz. Literalmente, se les prendió el bombillo. “Ocurrió en 2010 cuando, en el marco de la tesis de grado de los estudiantes de ingeniería electrónica Diana Pardo y Juan Pablo Cuellar, quienes fueron galardonados con el premio Otto de Greiff a la mejor tesis del país, se logró encender el primer OLED fabricado en Colombia, el que ahora al interior del grupo llamamos el OLED tradicional. Paralelo a esto, el estudiante de maestría en ingeniería electrónica Octavio Alejandro Castañeda reportó, en su tesis de maestría con mención meritoria, el crecimiento del primer cristal coloidal formado por esferas de sílice. El segundo eureka fue comprobar, por medio de mediciones directas, que efectivamente salía más potencia lumínica que en el OLED tradicional”, dice Salcedo. En 2012, a partir de una serie de estudios teóricos sobre el acoplamiento de la luz emitida por el MDMO-PPV con los cristales coloidales de sílice, se iniciaron las primeras pruebas con el fin de establecer el método de fabricación de los OLED modificados.

¿Investigar o innovar?

Esa es la pregunta y la respuesta de Salcedo no se hace esperar: “a nosotros nos interesa estudiar, explicar y modificar los fenómenos físicos básicos bajo los cuales funcionan este tipo de dispositivos optoelectrónicos y, en paralelo, ir perfeccionando las técnicas”. Habla el científico, el que está en el laboratorio con sus colegas proponiendo, manipulando, experimentando, buscando respuestas a los interrogantes. “Cuando se tiene suficientemente fortalecida la investigación básica, la innovación surge de forma natural. Lo importante es hacer las dos cosas”.
Pero la novedad puede tener aplicaciones comerciales muy promisorias en la industria de la iluminación y en la fabricación de pantallas planas, láseres y LED discretos. “Como ya la Universidad tiene una patente concedida por la Superintendencia de Industria y Comercio, contamos con la protección y el derecho exclusivo sobre la invención; podemos publicarlos y darlos a conocer”, explica Helena Jiménez, de la Dirección de Innovación, Vicerrectoría de Investigación de la Universidad Javeriana. La idea es valorar y comercializar la tecnología, diseñar una estrategia, estructurar el modelo de negocio, buscar posibles clientes. “Ese es un proceso que tenemos que hacer porque necesitamos que las patentes no se queden en el anaquel, sino que salgan y generen impacto en el sector productivo y en la sociedad”.

Por medio de la tecnología spin coating se producen los cristales coloidales.
Por medio de la tecnología spin coating se producen los cristales coloidales.

Pero también es, de acuerdo con Salcedo, el clásico ejemplo de cómo la investigación básica puede desarrollar mucho tiempo después tecnologías innovadoras.
Vendrán más patentes, de acuerdo con Jiménez, porque ya empieza a verse la cultura de la innovación en la universidad. “El Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación del país ha venido reforzando esos incentivos a los investigadores para generar y proteger las invenciones derivadas de la actividad investigativa… y la Javeriana está muy en la onda de la innovación”.

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Tips Pesquisa 36

Tips Pesquisa 36

 Urban Solar, paneles para cargar celulares

urban solar 2

 Los ingenieros electrónicos de la Pontificia Universidad Javeriana Luis Martín, Óscar Narváez y Carlos Martos han desarrollado paneles para cargar celulares con energía solar, a través de un sistema que garantiza la carga de 40 dispositivos al día mediante entradas de puerto USB y reduce las 30 toneladas de CO2 que el país produce al mes por las cargas de dispositivos móviles con energía eléctrica. Esta propuesta —Urban Solar— potencia el uso de energías renovables  y convierte al país en un referente internacional. Actualmente la PUJ cuenta con paneles instalados por el campus universitario para el uso gratuito de la comunidad.


Competitividad en la industria maderera

Captura de pantalla 2016-06-11 a las 7.12.13 p.m.El Centro de Servicios Empresariales Zasca, proyecto de innovación que promueve la relación entre la industria, la academia y el estado, a través de la Secretaría Distrital de Desarrollo Económico, desde hace ocho años potencializa la competitividad industrial en el sector de muebles y maderas. Esta iniciativa, a la que se unió la Pontificia Universidad Javeriana desde 2012, presta servicios técnicos y asesorías gratuitas en temas de desarrollo en la calidad de maderas, diseño de productos participativos, administración de inventarios, desarrollo de catálogos y formalización empresarial a pequeñas y medianas empresas.


 Unidos por el desarrollo de la nanotecnología en el país 

La Pontificia Universidad Javeriana y la Universidad de los Andes firmaron un acuerdo que tiene los propósitos de fortalecer las actividades de investigación y desarrollo en nanotecnología, promover la movilidad de investigadores y estudiantes, e impulsar proyectos de cooperación. Además, esta iniciativa busca alcanzar estándares de calidad ante la revolución nanoescalar a partir de la interdisciplinariedad, la calidad investigativa y una infraestructura apropiada que lleven al país a posicionarse como un referente en términos de desarrollo e innovación.


Biólogo y experto en aves, nuevo vicerrector de investigación de la PUJ, sede Bogotá

Luis Miguel Renjifo 2Próximamente entrará en circulación el segundo volumen del Libro rojo de aves de Colombia, producto del trabajo permanente de un grupo de investigadores javerianos encabezados por el
biólogo, magíster en biología de la conservación y ecología tropical y doctor en ecología, evolución y sistemática Luis Miguel Renjifo, quien además acaba de ser nombrado vicerrector de investigación de la Pontificia Universidad Javeriana. La publicación presenta el riesgo en el que se encuentran más de 160 aves que equivalen al 9% de la avifauna colombiana.

Renjifo ha estado vinculado a la Universidad desde 2003 donde ha sido docente, decano y director del Doctorado en Estudios Ambientales y Rurales. Coordinó el programa de Biología de la Conservación del Instituto de Investigación de Recursos Biológicos Alexander Von Humboldt y es miembro de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Para Renjifo, el primer paso para la interdisciplinariedad es abrir la mente a las maneras como otras ciencias construyen conocimiento, enseñanza que le dejó el padre Gerardo Remolina cuando era rector.


 TIPS PESQUISA (Cali)

Red Sugar: Programa de Innovación

Una silla dental de bajo costo y de fácil transporte, diseñada en colaboración con Sardar Patel Medical Institute (India), una máquina recolectora de uvas para Yanmar (Japón) y unos canales electrónicos bancarios más intuitivos y fáciles de usar para el Banco de Occidente (Colombia) son algunos de los 20 productos y servicios que han ayudado a diseñar y desarrollar estudiantes de la Pontificia Universidad Javeriana Cali, en el marco de la Red Sugar (Stanford University Global Alliance for Redesign) que promueve la innovación, y a la que pertenece desde 2008. Guiados por la metodología de innovación por diseño (design thinking, por su nombre en inglés), los equipos interdisciplinarios e interculturales transfieren a las empresas el conocimiento y las herramientas para que ellas continúen innovando de manera sistemática y metodológica. Felipe Quintero, jefe de innovación de Totto, empresa beneficiaria del Programa, lo describe como “un proyecto que impacta el país y traspasa fronteras a través de la relación universidad-empresa, donde la Universidad Javeriana de Cali pone al servicio de la compañía su trayectoria y capacidad de gestión para desarrollar un proyecto en red con uno de los iconos de la innovación en el mundo, como es Stanford”.

Ideam acredita al Laboratorio de Investigaciones Ambientales (LIA) de la Javeriana Cali

Laboratorio LIA CaliLa Pontificia Universidad Javeriana Cali cuenta con el primer laboratorio ambiental acreditado por el Ideam en el suroccidente colombiano en una universidad privada, útil para los estudios ambientales requeridos por las autoridades competentes de la región, como el análisis de aguas y aceites de transformador. En el Valle del Cauca, el Laboratorio de Investigaciones Ambientales es el único acreditado para detectar bifenilos policlorados (PCB, por su sigla en inglés) —una sustancia cancerígena— en aceites de transformadores eléctricos y plaguicidas organoclorados en fuentes de agua. La acreditación del LIA por tres años es un indicador confiable de competencia técnica nacional e internacionalmente.

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Desarrollo de la ciencia imperceptible

Desarrollo de la ciencia imperceptible

Tras tres años de investigaciones, el Grupo de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Javeriana ha producido dos nanosensores que buscan determinar el nivel de contaminación por arsénico en el agua y la respuesta de las células a cambios bruscos de ambiente.

El instrumento es simple: una pequeña placa de metal con una delgadísima capa brillante, a tal punto que su grosor es imperceptible para el ojo humano: cincuenta nanómetros (algo así como la mil millonésima parte de un metro). Es liviana, pesa menos que una canica y su forma rectangular la asemeja, en tamaño, a un borrador de nata. Las láminas son fabricadas en España y caracterizadas en Polonia. En Bogotá se alojan en el sótano de un edificio de ladrillo y grandes ventanales en plena carrera séptima.

Y con ellas se hace ciencia. O, para ser precisos, nanociencia.

“Este es uno de los trabajos pioneros en nanosensórica para arsénico”, explica, con su voz pausada y precisa, Édgar González, profesor de nanobiotecnología y director del Grupo de Nanociencia y Nanotecnología del Instituto Geofísico de la Pontificia Universidad Javeriana. La delgada placa que sostiene en sus manos está llamada a generar importantes avances en Colombia, pues es la pieza central de un proyecto que busca determinar el grado de contaminación de arsénico.

La teoría es, en realidad, sencilla: a la placa se adhieren moléculas que atrapan los átomos del arsénico, uno de los metales pesados más peligrosos de la naturaleza en su estado inorgánico. Su presencia altera considerablemente la superficie de la lámina y cambia, especialmente, la reflexión de la luz. Con este indicador se puede descifrar si ese afluente o fuente hídrica está libre de riesgo o, peor, si puede contener metales pesados que, tras exposiciones prolongadas, sean causantes de graves enfermedades.

Llegar a ella requirió muchas horas de trabajo en encierro por parte del grupo en el sótano del edificio Lorenzo Uribe, en las instalaciones del laboratorio nanoLab, junto a modelos de estructura molecular a escala, microscopios, espectrofotómetros, una caja seca y otros equipos, además de una ducha para evitar emergencias que nunca se ha activado. Allí, desde 2012, González ha desarrollado junto a sus discípulos Natalia Mosquera, Santiago Medina y Yulieth Téllez, entre otros, los nanosensores que buscan determinar qué tanto arsénico se ha colado en los ríos y reservas de agua del país.

Una quimera que apenas comenzó a dilucidarse. Estudios académicos por separado han documentado la existencia de arsénico inorgánico en afluentes y reservas de agua, al igual que en suelos y cultivos, proveniente de las curtiembres de cuero, los plaguicidas y los insumos utilizados por industrias como la farmacéutica, la textil o la minera (que, además, vierte residuos de cianuro y mercurio). Todo esto sin mayor control o alerta por parte de las autoridades ambientales, pues en Colombia no existen estudios oficiales ni se han identificado las áreas de mayor polución.

El problema con este tipo de contaminación es que se tienen que detectar cantidades extremadamente pequeñas y se requieren sensores sofisticados en esas dimensiones. Ahora, comercialmente, aún no tenemos una oferta amplia, por lo tanto tenemos que fabricarlos”, asegura el profesor.

Desde su nacimiento, el proyecto “Nanosensor para detectar y cuantificar la presencia de arsénico en agua”, mejor conocido como “Nanosens”, ha pasado por cinco diferentes fases técnicas, desde protocolos estandarizados para medición de luz con equipos convencionales (como espectrofotómetros) hasta el desarrollo propio del sensor y de un sistema de medición automático que determine con precisión los niveles contaminantes. Cabe destacar que tres tesis de maestría surgieron a lo largo de este camino.

La fase actual de este proyecto se sigue desarrollando al interior del nanoLab en cooperación con la Universidad de los Andes. El reto es construir un instrumento de medición que pueda incorporarse a un teléfono móvil, simplificando de esta forma las mediciones en fuentes hídricas.

“Hasta ahora nuestro trabajo ha sido muy técnico y empezamos ya la fase de componente social: cómo transferir esta tecnología a las comunidades, cómo logramos que la usen y midan por sí mismas los niveles existentes de arsénico en el agua”, comenta González.

Será el paso último en un proyecto aún más ambicioso, en el que participan varios grupos y entidades del país, que busca generar un mapa actualizado sobre la contaminación del arsénico y otros metales pesados en Colombia. La iniciativa, además, es compartida por países de la región como Argentina, Chile y México, con la intención de generar un diagnóstico que les sirva a los gobiernos para tomar medidas claras contra este fenómeno contaminante, lo cual facilitará las tareas de mitigación y remediación. En esta dirección, en el grupo se desarrollan nanomateriales para remoción de metales pesados como el mercurio o arsénico. En su trabajo doctoral, el ingeniero Willy Marimón Bolívar desarrolla nanopartículas para remoción de mercurio en aguas contaminadas por métodos y química verde, y los físicos Yulieth Téllez y Omar Parra investigan la movilidad y fijación de estos metales en el ambiente y en los seres vivos.

“La iniciativa se orienta a desarrollar un mapa de contaminación en América Latina, pero primero tenemos que estandarizar nuestros métodos de medición”, insiste González.

La línea de la salud

La contaminación con arsénico se erige como una grave preocupación para la salud mundial. Uno de los casos más preocupantes es el de Bangladesh donde, según estimaciones de la Organización Mundial para la Salud, alrededor de 45 millones de personas (la población colombiana) están expuestos a concentraciones de arsénico en el agua que exceden los estándares internacionales (10 microgramos por litro). A la larga, esto puede generar alteraciones severas en la salud por su acumulación, que se manifiestan en diversos tipos de cáncer y otras enfermedades neurodegenerativas.

Esa es otra de las líneas de investigación del grupo: la aplicación de las nanoestructuras en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

A la par del desarrollo del Nanosens, un segundo proyecto fue concebido por Jesús Daza, profesor de Bioquímica de la Pontificia Universidad Javeriana, como parte de su trabajo de tesis doctoral: Superficies nanoestructuradas y superficializadas para censar actividad en células neuronales por resonancia de plasmón superficial.

Nuevamente, la placa dorada toma el protagonismo. Ahora es impregnada con astrocitos (células de la neurona que procesan la información del sistema nervioso) que, posteriormente, son estimulados con rayos láser para determinar su respuesta biológica a los cambios de ambiente.

“Esto refleja el comportamiento de un ser vivo frente a cualquier tipo de alteración, sea un simple estrés o una enfermedad supremamente invasiva”, explica Daza. Al mismo tiempo, ha desarrollado una máquina que automatiza los resultados y permite compararlos con otras bibliotecas de información molecular para, en un futuro, anticipar todo tipo de cambios bruscos en el organismo. “Dentro de lo que queremos identificar están los nuevos productos generados por toxicidad celular”, añade.

Ni la máquina ni el sistema tienen un nombre, pero se han desarrollado en el nanoLab, donde los avances esenciales para la naturaleza y la salud se escapan a la comprensión del ojo humano.

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