¿Qué es un material fosforescente y para qué sirve? - Dr. Carlos Eduardo Rodríguez García | La Crónica de Hoy
Facebook Twitter Youtube Jueves 29 de Diciembre, 2016
¿Qué es un material fosforescente y para qué sirve? | La Crónica de Hoy

¿Qué es un material fosforescente y para qué sirve?

Dr. Carlos Eduardo Rodríguez García

La fosforescencia está comprendida en el fenómeno físico de luminiscencia que es la emisión de radiación electromagnética por debajo de la radiación térmica. En este sentido, la luz emitida por luminiscencia es un tipo de “luz fría” que es diferente de cuando obtenemos luz liberando grandes cantidades de calor. Por ejemplo la luz que proviene de quemar una vela o de un foco incandescente libera grandes cantidades de calor. Esta emisión está regida por las leyes de la física de radiación luminosa por efectos térmicos. Por el contrario, la luminiscencia se produce cuando los  átomos que conforman un material absorben energía de una fuente externa y después liberan esa energía en forma de luz, sin emitir grandes cantidades de calor. Cuando el periodo de emisión de la luminiscencia de un material es menor a 1 milisegundo (1x10-3 s), la luminiscencia se conoce como fluorescencia y para tiempos mayores se denomina fosforescencia.
Un material fosforescente es un compuesto químico especial que absorbe y almacena energía de cierto tipo para luego liberarla emitiendo luz hasta por horas.
Para lograr que el material fosforescente almacene energía, primeramente se le estimula durante un tiempo, por 30 minutos, por ejemplo, con energía que provenga de luz ultravioleta (UV), de luz visible, de luz solar, de rayos-X, de fricción mecánica, de electrones o de campos eléctricos. Durante ese tiempo la energía es absorbida y gradualmente almacenada en los niveles de energía superiores de los átomos que conforman la estructura interna del material fosforescente. Los niveles de energía superiores llegan hasta un nivel de saturación máximo. Luego, al remover la fuente de energía, el material fosforescente libera el exceso de energía, emitiendo fotones (luz) hasta llegar a su estado original de mínima energía. En los materiales fosforescentes el proceso de liberación puede durar hasta más de 10 horas, conociéndose este tiempo como tiempo de persistencia del material. Esta fosforescencia o larga persistencia luminosa, hace que dichos materiales resplandezcan en la oscuridad, convirtiéndolos en excelentes candidatos  para su utilización en letreros de señalización nocturna, chalecos de primeros auxilios,  pinturas decorativas, pantallas de exhibición automotriz, imágenes médicas, lámparas de ultra-baja energía para uso en minas, juguetes, aparatos optoelectrónicos, y muy recientemente como fuentes de luz visible para realizar el proceso de fotocatálisis y fotosíntesis artificial. Además, gracias a los avances en el campo de la optoelectrónica, los materiales fosforescentes se implementan como componentes de dispositivos cada vez más complejos que resuelven problemas específicos de la tecnología.
UN POCO DE HISTORIA. La historia de los materiales fosforescentes  inicia en  1602, cuando el zapatero y alquimista  italiano Vincent Cascariolo  encontró una piedra con  manchas brillantes  a las faldas de un  volcán. Esta piedra, hoy la conocemos como el mineral barita de fórmula química BaSO4 (sulfato de bario). Cascariolo, en un intento de separar el metal precioso de la barita, primero la pulverizó, y después calentó los polvos resultantes, provocando la reacción BaSO4 + 2C®BaS + CO2, contrario de lo que quería obtener. Como resultado, obtuvo el compuesto BaS llamado sulfuro de bario. Cascariolo observó que este compuesto emitía luz roja en la oscuridad, después de haberse cargado durante el día con luz solar. A este compuesto también se le conoce como piedra de Bologna. En 1939 la familia de compuestos basados en ZnS (sulfuro de cinc) fue ampliamente estudiada, particularmente el sulfuro de cinc dopado con impurezas de cobre, de fórmula ZnS:Cu+. Este material emitía fosforescencia en verde (500 nm), y su tiempo de persistencia es de 40 minutos. Después los científicos optimizaron este resultado hasta obtener 80 minutos de tiempo de persistencia, introduciendo como impurezas secundarias  iones de cobalto Co2+. La siguiente generación de fósforos persistentes, ubicada en los años setentas, se basó en la familia de sulfuros de metales alcalinos térreos: CaS y SrS (sulfuro de calcio y sulfuro de estroncio). Éstos, llamados compuestos de Lenard, fueron dopados con impurezas de bismuto, europio y cerio (Bi3+, Eu2+ y Ce3+)  y lograban un tiempo de persistencia de horas al ser expuestos a la luz solar.  No obstante, el uso de sulfuros (compuestos que contienen azufre) estuvo limitado a la alta inestabilidad química y a la formación del compuesto tóxico ácido sulfhídrico (H2S), al interaccionar con la humedad.
En 1996 Matzukawa reportó un nuevo compuesto sin sulfuro,  el aluminato de estroncio con impurezas de europio y disprosio cuya fórmula es SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ mostraba  una fosforescencia brillante en verde (520 nm)  y un tiempo de persistencia de 16 horas. Unos años después se descubrió el compuesto aluminato de calcio impurificado con cerio y neodimio de formula CaAl2O4:Ce3+,Nd3+ que emite una fosforescencia azul profunda (420 nm) y tiempo de persistencia similar. Poco después, se descubrió otro tipo de aluminato de estroncio con fórmula distinta (Sr4Al14O25:Eu2+, Dy3+) exhibiendo una fosforescencia  extraordinaria en verde azulado (495 nm) y con un tiempo de persistencia de 20 horas. Estos materiales fueron y son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones comerciales y son muy atractivos porque pueden permanecer emitiendo fosforescencia por toda la noche; además, presentan alta estabilidad química y alta eficiencia cuántica.
RETOS Y PERSPECTIVAS. Desde el descubrimiento de la larga persistencia,  los grupos científicos a nivel mundial han buscado modelos para explicar la fosforescencia en términos de la física cuántica y el electromagnetismo. Algunos modelos adscriben que la fosforescencia y la larga persistencia de un material son ocasionadas  por la generación de vacancias atómicas, que son sitios donde hay ausencia de un átomo o más en la estructura del compuesto. Estas vacancias capturan electrones hasta un llenado máximo y después se liberan gradualmente. No obstante, no se ha llegado a un modelo contundente que explique la larga persistencia de todos los materiales  descubiertos hasta la fecha. Además, las emisiones obtenidas con largas persistencias de hasta 20 horas, han sido las de color verde y azul, existiendo una brecha de tiempo de persistencia en los materiales que emiten rojo, naranja y amarillo. Por lo que, actualmente existe un gran nicho de oportunidad en desarrollar materiales con emisión fosforescente en los colores rojo, naranja. También se requieren materiales fosforescentes con emisiones en otras zonas del espectro electromagnético, como la zona del ultravioleta o del infrarrojo. Un caso excepcional es el material galato de litio con impureza de cromo (LiGa5O8 Cr3+) descubierto en la Universidad de Georgia Estados Unidos el cual tiene una extraordinaria fosforescencia  en el infrarrojo con tiempo de persistencia de 360 horas (dos semanas)  y con aplicaciones en visión nocturna para sobrevivencia e imágenes médicas. Aunque la radiación de infrarrojo es imperceptible por el ojo humano existen detectores que si lo hacen.
Sin duda la ciencia de los materiales fosforescentes está llena de retos por las múltiples aplicaciones  que podrían resultar y que apoyarían en sobremanera a la sociedad hacia el desarrollo de nuevas tecnologías

* Investigador del Laboratorio de Fotocatálisis y Fotosíntesis Artificial del  Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) A.C.

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