UNIVERSIDAD

“Los semiconductores orgánicos permiten nuevos dispositivos electrónicos”

 

Lucas UC3M

Entrevista con Lucas Viani, investigador de la UC3M

 ” Los semiconductores orgánicos son económicos, flexibles, transparentes y ligeros”

Lucas Viani (Ribeirão Preto, Brazil, 1983) investiga sobre semiconductores orgánicos en el Instituto Universitario sobre Modelización y Simulación en Fluidodinámica, Nanociencia y Matemática Industrial “Gregorio Millán Barbany” de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) en el marco del programa CONEX (CONnecting EXcellence) de la UC3M.

♦ ¿Cuánto de Física y cuánto de Química hay en su investigación?

La ciencia de materiales es un campo interdisciplinar en el que físicos, químicos e ingenieros trabajan juntos, aportando distintos puntos de vista sobre un mismo problema en su afán por encontrar un objetivo común de desarrollo y de mejora de los materiales existentes en la actualidad. El objetivo principal de la ciencia de materiales es dar respuesta a las necesidades de la sociedad contemporánea a través de la innovación. Algunos de los temas que se están tratando en estos momentos son la reducción del consumo de energía en dispositivos, cómo fomentar el aumento de la capacidad de almacenamiento energético de las baterías, el desarrollo de sistemas que ofrezcan soluciones basadas en las energías renovables y que, por tanto, sean capaces de capturar la energía de la luz solar, eólica y de la tierra (geotérmica).

¿Qué aplicaciones tienen los semiconductores orgánicos?

Los semiconductores orgánicos son capaces de ofrecer soluciones a los diferentes problemas con los que nos enfrentamos hoy en día, a través del uso inteligente de sus propiedades intrínsecas (son económicos, flexibles, transparentes y ligeros), lo que permite dar lugar a nuevos conceptos y diseños de dispositivos electrónicos. El mejor ejemplo lo encontramos en los diodos orgánicos emisores de luz (OLED). Fueron los primeros dispositivos basados en materiales orgánicos que se produjeron a gran escala y han revolucionado la industria de las pantallas al ofrecer un hardware que consume mucha menos energía y que ofrece una mayor calidad, además de utilizar menos espacio físico. Hoy en día los podemos encontrar en los teléfonos móviles y en los televisores ultraplanos y de alta resolución, lo que permite soluciones únicas tales como los televisores curvos y las pantallas transparentes.

¿Hacia dónde nos dirigimos en este campo?

Un grupo de dispositivos, incluyendo las células fotovoltaicas orgánicas (OPV), los transistores de efecto de campo (OFET) y láseres (OSL) son candidatos muy prometedores a seguir el mismo camino que los OLED y dominar parte del mercado en sus propios segmentos, aunque su todavía bajo rendimiento hace que su comercialización a gran escala se esté retrasando.

¿Hasta qué punto se podría aumentar el rendimiento de las OPV o la tecnología OLED?

Hoy en día, la industria OLED está muy avanzada y es posible encontrar dispositivos sumamente eficientes en el mercado. Los retos que se plantean en la actualidad los hallamos en el perfeccionamiento de las propiedades de visualización y en el desarrollo de dispositivos de iluminación para espacios interiores y con fines arquitectónicos. La tecnología OPV ha alcanzado un nivel en el que puede competir en algunas áreas con diferentes tecnologías fotovoltaicas, aunque su eficiencia global todavía tiene que mejorar (el récord actual de eficiencia es más o menos del 12 % y en teoría es posible que alcance entre el 20 y el 24 %).

¿Cuál es el objetivo de su investigación en la UC3M?

El objetivo del proyecto que estoy desarrollando es ofrecer un entendimiento detallado de la dinámica de los excitones en materiales orgánicos conjugados a través de métodos computacionales con el fin de mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos basados en materiales orgánicos para que se puedan comercializar.

¿Cómo busca conseguirlo?

Esto se realizará mediante el desarrollo de una herramienta teórica capaz de describir de una forma más realista la dinámica de transporte de energía y de carga entre moléculas orgánicas, con el fin de validar y evaluar la información que actualmente no está accesible a través de técnicas experimentales. Nos permitirá entender de una forma única los parámetros que gobiernan dichos mecanismos, lo que supondrá un ahorro de tiempo y dinero en la síntesis de nuevos compuestos, mediante la comprobación de las propiedades de la transferencia de energía (ET) y la transferencia de carga (CT) previas a la síntesis, al mismo tiempo que permitirá desarrollar nuevos diseños de dispositivos en electrónica orgánica al ayudar en la descripción y el ajuste de sus propiedades relevantes.

¿Qué metodología utiliza en su investigación?

Las metodologías más comúnmente adoptadas para describir la dinámica de ET a largo plazo para sistemas en los que la solución analítica no es posible se basan en métodos estocásticos que resuelven las ecuaciones maestras de Pauli o dependen de un enfoque estático basado en la extracción de conformaciones moleculares a partir de simulaciones de dinámica molecular clásicas utilizadas en la predicción de dinámica de ET y CT utilizando el método cinético de Monte Carlo sobre una instantánea congelada. En este proyecto integraremos los distintos pasos en uno para reducir y evitar la pérdida de información electrónica y estructural esencial para obtener una predicción detallada de las propiedades dinámicas.

¿Qué es lo más complicado a la hora de realizar esta investigación?

Yo diría que todos los pasos en un proyecto de investigación son importantes, desde los primeros, cuando el proyecto se concibe, hasta su aplicación y validación. En todas las fases de un proyecto se han de tomar decisiones y hay distintas aproximaciones y, en la mayor parte de los casos, se han de realizar sin un conocimiento previo del resultado. Yo diría que el paso más importante en este proyecto será la validación de la metodología, lo que nos permitirá dirigir el desarrollo del proyecto en direcciones específicas, y trasladar con el tiempo esta metodología a diferentes tipos de sistemas.

¿Utiliza métodos computacionales? ¿Están relacionados con el software MView que ha creado?

MView es un software que he estado desarrollando en los últimos años con el fin de centralizar y generalizar los métodos computacionales. Actualmente, su objetivo principal es ofrecer herramientas que ayuden en el análisis y la visualización (a través de una interfaz OpenGL) de propiedades moleculares y dinámica. Las herramientas teóricas resultantes del programa CONEX también formarán parte de esto, lo que se traducirá en una interfaz más fácil de utilizar, facilitando su uso a otros investigadores.

¿Qué le aporta investigar en la UC3M en el marco del programa CONEX?

Creo que el programa CONEX me ofrece la gran oportunidad de poder centrarme en mis líneas de investigación, lo que me permite desarrollar una investigación independiente, así como desarrollar herramientas teóricas que se utilicen en la investigación de los procesos dinámicos que tienen lugar entre los semiconductores orgánicos. La UC3M ha demostrado ser un entorno que ofrece el apoyo financiero, tecnológico y personal necesario para el éxito del programa.

¿Dónde estaba trabajando antes de venir a la UC3M en el marco de CONEX?

Antes de venir a la UC3M, trabajé en varios centros de excelencia en Europa, Estados Unidos y Brasil. Me gradué en Física por la Universidad de Campinas y realicé un máster en la Universidad de São Paulo, en Brasil. En 2007 comencé a trabajar en mi tesis doctoral en la Universidad de Mons, en Bélgica, dirigida por el Dr. Jérôme Cornil. Allí estudié y caractericé la ET y la CT en sistemas supramoleculares de tipo huésped-anfitrión mediante el uso de herramientas computacionales basadas en la mecánica cuántica, con el objetivo final de desarrollar nuevos diseños para dispositivos orgánicos. Cuando terminé mi tesis, me uní al grupo de investigación del Dr. Jean-Luc Brédas en el Instituto de Tecnología de Georgia, donde centré mi investigación en el entendimiento de los procesos de CT en interfaces orgánicas e inorgánicas típicas halladas en los transistores de efecto de campo orgánicos (OFET). En 2012 me uní al Dr. Benedetta Mennucci en la Universidad de Pisa, donde pude poner en práctica mi conocimiento previo sobre la investigación de las propiedades de ET en los complejos de captación de luz biológicos, contribuyendo al entendimiento del proceso de la fotosíntesis en plantas y bacterias.

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