Entrevista a Rubén Costa, investigador de BIO-LED

Rubén Costa, experto en BIO-LED: “El mundo tecnológico ha de basarse en sistemas ecológicos”

Rubén Costa es un joven investigador español que está revolucionando el mundo de la iluminación al descubrir una forma más ecológica y barata de producir luz del tipo LED (un tipo de iluminación, por cierto, que fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2014).

La investigación llevada a cabo en Alemania está acaparando titulares de muchos medios de comunicación por las posibilidades que conlleva. Hablamos con este investigador sobre en qué consiste su hallazgo, así como de las dificultades y parabienes de su labor.

¿Puedes explicarnos qué son exactamente los BIO-leds sobre los que estás investigando/trabajando?

Mi investigación está centrada en el estudio de nuevos materiales para el desarrollo de tecnologías centradas en la iluminación, la creación de energía (células solares) y diagnóstico. Nuestra aproximación es seguir el concepto “Green photonics”. Es decir, que los nuevos materiales sean ecológicos, biodegradables, sostenibles, fáciles y baratos de producir sin limitaciones relacionadas con su posible agotamiento y que sean tan eficientes y estables como los actuales componentes.

En este sentido, el BIO-LED es un perfecto ejemplo.

Rubén Costa, recogiendo el premio LpS Scientific Award al concepto más revolucionario en iluminación.

Lo que hemos desarrollado es un medio basado en la combinación de dos polímeros, que cuando interaccionan con proteínas luminiscentes las estabiliza durante años conservando sus propiedades emisoras. Además, la goma presenta propiedades ópticas mecánicas que permiten su uso como filtros de color. Así que, aplicamos estos materiales para reemplazar los convertidores de color inorgánicos de los LEDs por nuestras gomas basadas en proteínas.

Los LEDs blancos están basados en un chip que emite luz azul que pasa a través de un filtro basado en materiales inorgánicos que parcialmente absorben la luz azul y emiten luz amarillo-anaranjada. La combinación de ambas emisiones parece blanco a nuestros ojos. Las principales limitaciones son el precio de estos convertidores inorgánicos, que representan de un 10-20% del coste total del LED y la necesidad de generar una luz blanca más saludable que cubra la parte roja del espectro. Después de más de 25 años, no se han conseguido solventar estos problemas que se han ido agravando con la entrada de los LED en nuestras casas y la optimización del brillo.

El siglo XXI debe de aportar avances que se ajusten a lo que hemos aprendido desde la revolución industrial en el XVIII

Los filtros de proteínas representan una alternativa barata, ecológica y eficiente a los convertidores inorgánicos. El BIO-LED básicamente consiste en coger un LED comercial que tiene (misma electrónica, chip y carcasa) y sólo tenemos que reemplazar el filtro de color inorgánico por el diseñado en mi laboratorio. Así podemos producir luz blanca pura, además de mantener los niveles de eficiencia y brillo, aunque debemos mejorar la estabilidad que es nuestro de foco de atención.

¿Qué aplicaciones prácticas puede tener?

Poder reemplazar los compuestos inorgánicos usados para la conversión de color tiene enormes aplicaciones para la iluminación artificial blanca saludable. Pero, además, se podría utilizar para diseñar filtros de color para pantallas de ordenador y telefonía. Esto es lo que hemos demostrado en nuestro reciente trabajo publicado en Adv. Funct. Mater. 2017 DOI:10.1002/adfm.201601792. También, existe la posibilidad de usarlos para hacer los llamados bio-láseres; una tecnología que han desarrollado recientemente dos grupos de MIT-Prof Hyung Yun and Gather.

¿Es una investigación comercialmente viable? ¿Por qué?

El mayor interés de usar convertidores de color basados en proteínas reside en cuatro factores:

1. Su alto rendimiento de emisión, mayor un 70%.
2. Su espectro de emisión que muestra un ancho de banda de tan solo 30-50 nm.
3. Su producción barata usando cultivos de bacterias como la E.Coli.
4. Su fácil reciclaje, porque son proteínas que cuando se degradan no dejan residuos nocivos al medio ambiente.

Hay que tener en cuenta que se pueden producir en todo el mundo de una forma continua e ilimitada, ya que las bacterias no paran de reproducirse siempre que tengan el espacio y alimento adecuado (un cóctel basado en agua, azucares y aminoácidos).

Actualmente, los materiales inorgánicos como el YAG.Ce usados para los LED blancos están localizados en unos pocos lugares de nuestro planeta. Esto conlleva que tengamos que extraerlos, refinarlos y transportarlos. Por tanto, no es de extrañar que este convertidor de color constituya entre un 10-20% el precio final de un LED blanco. Los gobiernos de Estados Unidos y la Unión Europea consideran un aumento del 50% de su precio para el 2020.

En otras palabras, es necesario descubrir alternativas hoy, para poder responder a este inminente problema industrial en un futuro muy próximo.

¿Con qué dificultades os estáis topando para lograrlo?

Como siempre ocurre en ciencia, se necesita una financiación que sea continuada mientras sean razonables y visibles los avances sobre el conocimiento básico establecido en un campo o las prestaciones de una tecnología que está a nivel de laboratorio.

La inversión inicial de esta investigación fue obtenida con un proyecto nacional para campos emergentes y de alto riesgo.

Los gobiernos de Estados Unidos y la Unión Europea consideran un aumento del 50% deL precio DEL LED para el 2020

Ahora estamos activamente buscando financiación europea y privada para llevar esta tecnología a un nivel de prototipo industrial, además de intentar consolidar nuestro conocimiento sobre el tipo de material y sus propiedades. De hecho, me han dado recientemente el premio Lps Scientific Award, al ser considerado el BIO-LED como el concepto más revolucionario del 2016 en la convención científico/industrial más relevante de Europa, especializada en iluminación. Ellos comparten nuestras esperanzas en esta tecnología, así que esperamos tener suerte en el 2017 para que sigan confiando en las posibilidades de nuestra investigación.

En caso de que sea comercialmente viable, ¿cuándo podremos ver los primeros resultados? ¿En qué tipo de productos?

Creo que en un plazo corto de tiempo se podría hablar de un BIO-LED con un color determinado como verde, rojo, azul, etc. Esta iluminación se podría aplicar a pequeños aparatos aplicados en los coches, paneles de control, etc.

Al mismo tiempo, el BIO-LED blanco lo estamos optimizando a pasos agigantados y tenemos grandes expectativas puestas en él. Si nuestros avances en estabilizarlo se confirman, se podría aplicar en bombillas para el uso doméstico.

Nuestro último desarrollo, el filtro de color con una goma micro estructurada –Adv. Funt. Mater, 2017 DOI.10.1002/adfm.201601792 – lo considero un primer paso muy certero hacia pantallas de teléfono, ordenadores, etc. Aunque tenemos que tener un mejor control de la morfología y el proceso de fabricación.

Finalmente, la aplicación a LED de alto poder todavía requiere un poco de tiempo para diseñar las proteínas necesarias. Como siempre, dependerá de los recursos humanos y financieros a los que podamos optar.

¿Qué mejoras supone estos BIO-LED frente a los LEDS tradicionales?

La principal ventaja es la considerable reducción de precio, ya que estimamos que un sistema de conversión de color basado en proteínas puede costar menos de un 10% del valor de producción de los actuales filtros inorgánicos.

El impacto mediático, industrial y de premios ha sido inesperado, por lo que esto supone uno de los momentos más dulces de la carrera de mi grupo

Un segundo aspecto que es clave es que la naturaleza ya nos ha dado todas las proteínas que emiten cualquier color, desde el azul al rojo más intenso, incluyendo el “blanco sano” que necesitamos en casa para mejorar nuestra calidad de vida. Así que no tenemos ninguna restricción para diseñar un LED que emite la luz deseada. En el caso de los materiales inorgánicos, a pesar de los esfuerzos durante los últimos 25 años, todavía hay pocos ejemplos de emisores rojos que a su vez sean eficientes.

Finalmente, nuestros filtros basados en proteínas son totalmente ecológicos y fáciles de reciclar y/o cambiar, si se desgataran con el uso. Así que su impacto medio ambiental seria inexistente.

¿Es el respeto por el medio ambiente su principal aportación/beneficio o con la que nos hemos quedado los medios de comunicación?

Como te decía, no es su principal aportación pero sí una muy relevante. Muchas investigaciones y avances han sido considerados inocuos al medio ambiente en sus inicios; por ejemplo, los catalizadores de platino para gasolinas o los gases de fluorocarbono que han destrozado la capa de ozono. Sin embargo, en este caso la producción de proteínas luminiscentes se conocen desde la década de los sesenta y el tipo de bacteria se utiliza en las escuelas para las prácticas de biología que hacen nuestros hijos. A estos detalles, le sumamos que las proteínas que utilizamos son las mismas que son degradadas de forma natural por los organismos vivos. Por tanto, no creemos que haya ningún impacto en el medio ambiente. No obstante, acabamos de pedir un proyecto donde estos aspectos se analizaran por colegas suizos que son expertos en este campo de especialización. De esta manera, podré afirmar estos puntos en un futuro próximo.

Para vuestro trabajo, son importantes las proteínas luminiscentes. ¿Qué son? ¿Dónde se encuentran?

Las proteínas son un compuesto basado en una cadena de aminoácidos que se crean en el seno de las bacterias. Una vez formada esta cadena se pliega en una forma de barril envolviendo a una molécula que emite luz bajo la excitación específica. Estas proteínas se estudiaron al intentar descubrir porque las medusas emiten luz verde y azul. De hecho, estas proteínas son las que utilizan estos seres marinos para comunicarse ante la presencia de alimento o peligro.

Mi carrera profesional no es más que otro ejemplo de la vida de todo científico. No sólo cambiamos de país, amigos y costumbres, sino que los hacemos cambiando de área de conocimiento

Lo que nosotros hacemos es producir esta proteína natural en bacterias, ya que no es ético ni eficiente hacerlo de las medusas. Una vez la producción de las bacterias ha llegado a su punto máximo, extraemos las proteínas rompiendo la pared bacteriana en una disolución acuosa. Después se purifica, obteniendo una disolución con estas proteínas luminiscentes.

¿Cuánto tiempo llevas investigando en esto?

Empezamos a finales del 2015 y ya hemos sacado una patente y varias publicaciones científicas.

Ahora estas en Alemania ampliando un trabajo que iniciaste en la Universidad de Valencia. ¿A qué se debe este cambio? ¿Se investiga mejor fuera de España? ¿O era un paso más dentro de tu carrera como investigador?

En la Universidad de Valencia realicé mi doctorado en sistemas de iluminación basados en complejos iridio; unos sistemas muy eficientes pero extremadamente caros. Obtuve resultados muy relevantes que fueron premiados por la IUPAC, el Gobierno español y la Real Sociedad de Química Española. Pero todo investigador tiene que ampliar y mejorar su conocimiento, así que decidí seguir la carrera científica haciendo un post-doc en sistemas de nanocarbono como el grafeno para el desarrollo de células solares en la Universidad de Erlangen-Nuremberg.

Estamos activamente buscando financiación europea y privada para llevar esta tecnología a un nivel de prototipo industrial

Después de dos años, tuve la suerte de poder conseguir financiación para construir y dirigir un nuevo laboratorio centrado en el desarrollo de sistemas de iluminación ecológicos y baratos como el BIO-LED.

Mi carrera profesional no es más que otro ejemplo de la vida de todo científico. No sólo cambiamos de país, amigos y costumbres, sino que los hacemos cambiando de área de conocimiento.

¿Cuántas personas estáis implicadas en esta investigación?

Mi grupo consta de nueve estudiantes, que se centran en células solares (6) y sistemas de iluminación (2) y yo como jefe de grupo. También trabajo con muchos grupos que diseñan materiales por todo el mundo (Grecia, USA, Japón, Francia, Italia, España, etc). En el caso del BIO-LED, trabajo con dos grupos de la misma universidad que están centrados en la biología y en la reología de los geles.

¿Qué tecnología usáis en vuestro trabajo?

Utilizamos sistemas de formación de capas como el doctor-blading y sistemas de medida estándar para iluminación.

Tu tesis doctoral en este campo ya fue premiada y reconocida. ¿Qué supuso para ti este galardón?

Supuso una gran alegría, ya que fue el broche de oro a una etapa muy intensa de aprendizaje y de esfuerzo. Fue el mejor regalo para mí y por ende para mis directores de tesis y mi familia. Los premios fueron a nivel nacional (Gobierno español y la Real Sociedad de Química Española) e Internacional (IUPAC). También mi trabajo como post-doc ha sido galardonado con el premio SUSCHEM 2014, que ha supuesto un bonito final y una alegría para esta etapa.

Ahora, como investigador independiente, es una gran satisfacción personal obtener el reconocimiento de la comunidad científica. En el 2016, tuve suerte de ser galardonado con el Premio de Jóvenes Investigadores 2016 por la Real Sociedad de Química Española. La medalla de plata a los mejores químicos europeos 2016 por la EuChemMS. El premio LpS Scientific Award al concepto más revolucionario en iluminación.

Como siempre ocurre en ciencia, se necesita una financiación que sea continuada

Estos premios los considero un reconocimiento a la calidad de trabajo y esfuerzo de mi grupo y además es un aliciente para motivarnos a seguir trabajando.

¿Qué te llevó a investigar en este campo?

Mi visión del mundo tecnológico es que hay que basarse en sistemas ecológicos mejorando las prestaciones actuales. Después de mucho pensar al acabar mi tesis, llegué a la conclusión de que había dos posibilidades: nanocarbonos y proteínas. Así que, en los últimos seis años, le he dedicado todos mis esfuerzos a estudiar y mejorar estos materiales para desarrollar células solares y sistemas de iluminación que respondan a la llamada verde que todos necesitamos. En mi opinión, el siglo XXI debe de aportar avances que se ajusten a lo que hemos aprendido desde la revolución industrial en el XVIII.

Tienes, al menos, dos patentes en tu investigación. ¿Te ayudan para poder seguir investigando? ¿Alguna empresa se ha interesado por ellas para explotarlas comercialmente?

Sí, las patentes ayudan a llamar la atención de las empresas y, de hecho, estamos en contacto con varias para poder llevar la tecnología desde mi laboratorio a nuestras casas.

Tu hallazgo ha cobrado especial relevancia tras haberse publicado en Advanced Materials, una de las revistas más prestigiosas. ¿Qué ha supuesto para vosotros?

Publicar en Advanced Materials fue el primer examen sobre la calidad y relevancia de nuestro trabajo. Para ser honesto, todos (yo y mi grupo), estábamos más que pagados con ello. Así que la alegría fue inmensa. Después el impacto mediático, industrial y de premios ha sido inesperado, por lo que, esto supone uno de los momentos más dulces de la carrera de mi grupo.

En Nobbot | Proteínas luminiscentes para pantallas más ecológicas y baratas

Imágenes | Rubén Costa