Скоро в наших домах могут появится новые светодиодные лампочки - еще более яркие и экономичные, чем существующие. О том, как радикально повысить эффективность светодиодов, ученые догадались, наблюдая за светлячками.
Живая подсказка
По словам Стюарта Иня, профессора Университета штата Пенсильвания, средняя эффективность светодиодов современной лампочки составляет 50%. То есть, примерно половина вырабатываемого света не покидает светодиодного элемента. Это значит, что, в теории, любая из ваших светодиодных лампочек могла бы светить вдвое ярче при том же энергопотреблении. Сегодня инженеры пытаются прикладывать массу усилий для того, чтобы повысить эффективность извлечения света из светодиода. И, кажется, ответ найден.
Светлячки сталкиваются с такой же проблемой. Но если мы можем увеличить яркость лампочки, добавив туда еще один светодиод, крошечное насекомое не может позволить себе расточать энергию впустую. За миллионы лет эволюции светлячки нашли способ максимально повысить светимость при минимальных затратах. Секрет заключается в особых структурах, покрывающих их “фонари”. Это - микроскопические плоскости, благодаря которым свет легче выходит наружу и меньше отражается по пути.
Светодиоды тоже используют подобную технологию. Но в светодиодах светоотводящие структуры имеют форму правильных симметричных пирамидок, в то время как структуры на “фонарях” светлячков скошены на одну сторону.
Асимметричные “пирамидки”, форму которых ученые подсмотрели у насекомых
Позже ученые заметили, что такое же строение имеют не только светлячки, но и другие виды светящихся насекомых, вроде эквадорских светящихся тараканов Lucihormetica luckae.
Ученые воссоздали похожую структуру, распечатав ее на нанопринтере, и обнаружили, что эффективность отдачи света в этом случае составляет около 90%. Это на 40% выше, чем в лучших современных светодиодных лампочках.
Слева - микроскопический светодиод с покрытием из симметричных “пирамидок”, справа - светодиод такой же мощности с покрытием из ассимметричных структур
По словам профессора Стюарта Иня, асимметричная форма увеличивает отдачу света двумя путями. Во-первых, асимметричные пирамиды имеют большую площадь поверхности. Фотоны света больше контактируют с поверхностью, чаще вырываясь за ее пределы. Во-вторых, асимметрия усиливает переотражение, таким образом, у фотона появляется больше шансов оказаться за пределами светодиода. Результаты этого исследования уже опубликованы в научном журнале Optik.
Коммерческое использование
Открытие может оказаться невероятно выгодным для всех. Рынок светодиодного освещения растет с каждым годом. По оценкам экспертов, к 2024 году его объем составит $85 млрд. Светодиодные лампы более выгодны для потребителя и менее вредны для окружающей среды, поскольку потребляют в десятки раз меньше энергии, чем традиционные лампочки накаливания.
Благодаря открытию команды профессора Иня, лампы станут еще на 40% эффективнее. А значит, еще дешевле, ведь для обеспечения определенного уровня яркости разработчикам понадобится устанавливать в лампочку меньшее количество светодиодных элементов.
К слову, новая технология никак не скажется на стоимости производства самих светодиодов. Ученые выяснили, что для создания скошенных “пирамидок” производителю достаточно изменить всего один незначительный аспект производственного процесса.
Осознав, сколь выгодным может быть это изобретение, ученые поспешили его запатентовать. По их словам, как только они получат на руки патент, они начнут переговоры о производстве с производителями лампочек. А значит, уже довольно скоро в наших домах появятся новые светодиодные лампочки, более яркие и экономичные, чем существующие.
