Luz, calor y color: las respuestas ópticas de los materiales
CIENCIA PARA TODOS.
¿Alguna vez te has preguntado por qué se calienta seca la ropa más rápido al dejarla expuesta al sol? ¿O cómo se genera la luz blanca que ilumina nuestras casas?.
De manera intuitiva sabemos qué es la luz, pues la conocemos desde los primeros momentos de nuestra vida; sin embargo, es importante describir algunas de sus características para entender qué pasa cuando interactúa con la materia. La luz puede descomponerse en diferentes colores, por ejemplo, los del arcoíris, que van del azul al rojo. Pues resulta que a cada color le podemos asociar un “paquete” de energía y a esta unidad la llamamos fotón. Esto se torna aún más interesante al saber que hay luz que no podemos percibir a simple vista.
Dentro de la luz de alta energía podemos encontrar a los rayos gama y rayos X, siendo estos últimos los que tal vez nos resulten más familiares, debido a que se utilizan para ver huesos y órganos a través de la piel y los tejidos para la detección de fracturas, infecciones o tumores.
Al disminuir la energía de la luz, nos encontramos con la luz ultravioleta (UV), comúnmente usada en procedimientos de odontología, para el curado de resinas que permiten colocar los conocidos “brackets”. Ciertamente, en un día de playa necesitamos de bloqueadores solares para protegernos de este tipo de luz, que, aunque invisible, es capaz de causar graves lesiones en nuestra piel.
Luego tenemos la luz visible, donde se encuentran los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta, conformando todo lo que nuestros ojos son capaces de detectar. ¿Te das cuenta?, ¡La mayor parte del universo es invisible para nuestros ojos!
Con el paso de los años, se han ido desarrollando diferentes estrategias que permitan medir y explorar las aplicaciones de dichos tipos de luz. Continuamos con la región del infrarrojo, que es de gran relevancia biológica, ya que estas longitudes de onda son capaces de atravesar algunos tejidos biológicos y llegar hasta zonas profundas en nuestro organismo.
Después, tenemos las microondas, que, así como lo estás pensando, son las responsables de poder calentar la comida rápidamente en el llamado horno de microondas; además, este tipo de radiación se encuentra presente en radares o como parte del sistema que nos brinda internet (WiFi).
Finalmente, las ondas de radio se encuentran en la región menos energética, y como su nombre lo indica son las que permiten que escuchemos nuestra música favorita, como el nuevo álbum de Taylor Swift.
Interacción de la luz con materiales.
Cuando la luz incide sobre un material pueden ocurrir tres fenómenos principales, reflexión, transmisión y absorción, esta última la responsable de los fenómenos que trataremos este artículo.
La absorción, de manera simplificada, es el mecanismo que permite que la energía de los fotones anteriormente descritos sea conferida al material. Dependiendo del tipo de material y de sus características particulares, esa energía absorbida puede transformarse en calor, como sucede en la fototermia, o en luz de otro color, lo que llamamos fotoluminiscencia o incluso en energía eléctrica como en las famosas celdas solares.
Particularmente, la diferencia entre la conversión fotoluminiscente y fototérmica radica en cómo se comportan los paquetes de energía después de ser absorbidos por el material. En la fotoluminiscencia, el material absorbe luz de cierta energía, excita sus electrones a niveles de energía más altos, los cuales van a caer a un nivel de menor energía o al estado inicial, eso provoca la liberación de dicha energía en forma de luz, pero con longitud de onda diferente.
Por otra parte, la luz absorbida puede interactuar con otra clase de “partículas” llamadas fonones, que no son precisamente partículas como las imaginamos (esferas que viajan a través del espacio y tiempo), sino que son una representación de las vibraciones que se propagan dentro de la partícula y que se ve reflejado en el aumento de su temperatura local del material, como la ropa recién lavada expuesta al sol.
Las características que determinan si se lleva a cabo cualquiera de los procesos anteriores son la conductividad térmica, la pureza estructural y química, los niveles electrónicos, la absorción óptica, capacidad de emisión luminosa, estabilidad térmica y química, entre otras propiedades que definen de manera precisa al material.
Y eso ¿para qué?.
Aunque no lo notemos, efectos como la fototermia y la fotoluminiscencia no solo son fenómenos que observamos en el laboratorio, sino que tienen un gran impacto en nuestra vida cotidiana. El aprovechamiento de una fuente de energía renovable como la luz, para generar calor o emitir otro tipo de luz es la verdadera ciencia permite el desarrollo de sistemas como sensores, pantallas y terapias médicas más eficientes y menos invasivas.
Si nos centramos en la fotoluminiscencia, podemos destacar que es un fenómeno presente en algo tan común como el flash de nuestros teléfonos celulares, o la pintura que delimita los carriles en las calles y autopistas que nos ayudan a continuar con nuestro camino al conducir por la noche.
Pensemos en las veces que transitamos carreteras después durante la noche y que a pesar de que no hay faros de luz, nos es posible distinguir flechas y carriles. Asimismo, vemos este fenómeno en los señalamientos que nos indican rutas de evacuación y salidas, lo cual es muy útil e importante en casos de emergencia que afecten el correcto funcionamiento de la corriente/electricidad, ya que son visibles en la oscuridad.
En el área médica, la fotoluminiscencia es ampliamente estudiada pues facilita el marcaje de tejidos o sitios de interés permitiendo su localización para su diagnóstico y tratamiento oportuno. Incluso, se han propuesto diferentes nanomateriales (materiales con dimensiones muy pequeñas, 10-9 m) para identificar células cancerígenas y tumores malignos en fases tempranas, promoviendo el diagnóstico certero.
En el caso del efecto fototérmico, una de sus aplicaciones con mayor distribución se observa en los sistemas de calentamiento solar de agua que hay en muchas casas, el cual funciona por medio de colectores térmicos de energía solar que transfieren el calor al agua, elevando su temperatura.
De la misma forma, los paneles solares térmicos se usan para calentar habitaciones, incluso casas o edificios enteros, haciendo más confortables nuestras estancias durante la temporada otoño/invierno. Los materiales que presentan actividad fototérmica son capaces de promover reacciones químicas que asisten en el tratamiento y purificación de aguas, procesos que son necesarios para continuar con un abastecimiento continuo de este recurso vital.
En temas médicos, destacan las terapias antibacterianas basadas en materiales fototérmicos que permiten la prevención y tratamiento de infecciones o enfermedades ocasionadas por bacterias termosensibles.
Por lo tanto, la fotoluminiscencia y la fototermia son fenómenos presentes en muchos aspectos de nuestra vida diaria, con aplicaciones que van desde el mejoramiento de la calidad de vida y confort en nuestras casas o lugares de trabajo, el tratamiento de aguas, tecnologías de cifrado antifalsificación, seguridad vial, y llegando hasta el diagnóstico y tratamiento médico, aspectos que nos muestran su relevancia práctica.
Se estima que este tipo de materiales seguirán impactando en áreas como la construcción, mediante el desarrollo de sistemas sostenibles y seguros con acabados estéticos, o en el diseño de biosensores para el análisis de moléculas de interés biomédico y ambiental, en sistemas que permitan obtener imágenes biomédicas eficientes por métodos menos invasivos, o incluso en la producción de acarreadores que permitan la liberación y seguimiento controlado de fármacos.
Por: Laura S. González Jasso / Jorge A. Molina González / Rosa María Sevillano Arredondo / Gonzalo Ramírez García. Integrantes del Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales, Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA), UNAM.
Sitio Fuente: Ciencia UNAM