Materiales luminiscentes y algunas de sus aplicaciones
Texto de divulgación científica original de la Universidad Veracruzana (México).
Por José Sergio Durand Niconoff y Juan Francisco Rivas Silva. Enero/abril de 2006.
A principios del siglo XX, William Croques (1832- 1919), para apoyar su investigación científica sobre el fenómeno de la radioactividad, inventó un aparato que le permitiría contar ciertas partículas muy energéticas conocidas en la actualidad como “partículas alfa”. El funcionamiento del aparato se basó en las propiedades luminiscentes del sulfuro de zinc, un compuesto que emite un pulso de luz visible cuando una partícula alfa choca contra él. Más tarde, el dispositivo de Crookes fue utilizado por el gran físico Ernest Rutherford para descubrir que los átomos se componen de un núcleo rodeado por una nube de electrones. Desde entonces, muchos otros materiales luminiscentes se han descubierto y fabricado.
Seguramente usted ya está familiarizado con los materiales luminiscentes. Los encuentra en el trabajo, en el hogar, en el consultorio médico y en muchos otros lugares. Si esto lo sorprende, simplemente encienda su televisor o el monitor de su computadora.
¿Recuerda alguna radiografía de rayos X, un estudio de tomografía computarizada de rayos X o por emisión de positrones que le hayan practicado, o tal vez alguna cirugía con láser? En todos estos casos tienen mucho que ver ciertos dispositivos que tienen algo en común: utilizan como ingrediente básico para su funcionamiento el desempeño de un material luminiscente.
¿Y qué es un material luminiscente? Se puede decir simple y llanamente que es una sustancia que transforma la energía. Los hay que transforman la energía de la luz visible o de la luz ultravioleta, y también los que pueden transformar señales mucho más energéticas, como las de los rayos X o los rayos gamma, pero en todos los casos la transformación de la señal luminiscente es siempre luz visible.
El proceso de transformación de la energía se lleva a cabo mediante la ocurrencia de una serie de fenómenos físicos y químicos, algunos de los cuales son plenamente conocidos, como sucede con el efecto fotoeléctrico (explicado por Albert Einstein con base en las nuevas ideas cuánticas de principios del siglo XX [figura 1], por lo que se le otorgó el premio Nobel de Física en 1921) y el efecto Compton (figura 2); o bien a través de la aniquilación de pares y otros fenómenos que se conocen sólo parcialmente, como los involucrados en el transporte de la energía dentro del material, cuya comprensión cabal plantea toda una serie de problemas de frontera para ser resueltos por la investigación básica y aplicada.
Seguramente usted ya está familiarizado con los materiales luminiscentes. Los encuentra en el trabajo, en el hogar, en el consultorio médico y en muchos otros lugares. Si esto lo sorprende, simplemente encienda su televisor o el monitor de su computadora.
¿Recuerda alguna radiografía de rayos X, un estudio de tomografía computarizada de rayos X o por emisión de positrones que le hayan practicado, o tal vez alguna cirugía con láser? En todos estos casos tienen mucho que ver ciertos dispositivos que tienen algo en común: utilizan como ingrediente básico para su funcionamiento el desempeño de un material luminiscente.
¿Y qué es un material luminiscente? Se puede decir simple y llanamente que es una sustancia que transforma la energía. Los hay que transforman la energía de la luz visible o de la luz ultravioleta, y también los que pueden transformar señales mucho más energéticas, como las de los rayos X o los rayos gamma, pero en todos los casos la transformación de la señal luminiscente es siempre luz visible.
El proceso de transformación de la energía se lleva a cabo mediante la ocurrencia de una serie de fenómenos físicos y químicos, algunos de los cuales son plenamente conocidos, como sucede con el efecto fotoeléctrico (explicado por Albert Einstein con base en las nuevas ideas cuánticas de principios del siglo XX [figura 1], por lo que se le otorgó el premio Nobel de Física en 1921) y el efecto Compton (figura 2); o bien a través de la aniquilación de pares y otros fenómenos que se conocen sólo parcialmente, como los involucrados en el transporte de la energía dentro del material, cuya comprensión cabal plantea toda una serie de problemas de frontera para ser resueltos por la investigación básica y aplicada.
Figura 1. El efecto fotoeléctrico es el resultado de la interacción de una partícula de luz visible, ultravioleta, X o gamma (hn) con un electrón del material luminiscente (punto oscuro), en donde la partícula de luz cede toda su energía al electrón, mismo que es arrancado de su posición y se desplaza con gran energía cinética.
Figura 2. En el efecto Compton, la partícula de luz incidente (hn) interacciona con un electrón orbital del material luminiscente cediendo sólo parte de su energía, a la vez que es desviada de su trayectoria original. El electrón adquiere energía cinética.
Entender y eventualmente manipular estos fenómenos implicados en la transformación de la energía por un material luminiscente es de importancia fundamental en la aplicación tecnológica del diseño de nuevos materiales luminiscentes, los cuales se quiere fabricar dotados de las propiedades deseables para satisfacer las necesidades que alguna aplicación específica requiera, siendo el ideal un diseño átomo por átomo y molécula por molécula. Su aplicación va desde los experimentos de la física de altas energías, la física nuclear y la imagenología médica (Figuras 3 y 4), hasta los sistemas de protección de tarjetas de crédito.
Buena parte de estos materiales luminiscentes son sólidos con estructura cristalina, aunque también los hay amorfos, como los plásticos y polímeros, y la mayoría de ellos deben sus propiedades luminiscentes a ser “cristales impuros”, es decir, a que dentro de la estructura pura hay un “prietito” que da al cristal su nombre de material “dopado” o “impuro”. Un ejemplo es el rubí. Éste es un cristal de óxido de aluminio que por sí solo es completamente incoloro; pero si algunos de los átomos de aluminio son sustituidos por átomos de cromo, entonces la presencia del cromo hace que el óxido de aluminio sea capaz
Buena parte de estos materiales luminiscentes son sólidos con estructura cristalina, aunque también los hay amorfos, como los plásticos y polímeros, y la mayoría de ellos deben sus propiedades luminiscentes a ser “cristales impuros”, es decir, a que dentro de la estructura pura hay un “prietito” que da al cristal su nombre de material “dopado” o “impuro”. Un ejemplo es el rubí. Éste es un cristal de óxido de aluminio que por sí solo es completamente incoloro; pero si algunos de los átomos de aluminio son sustituidos por átomos de cromo, entonces la presencia del cromo hace que el óxido de aluminio sea capaz
Figura 3. Esquema que muestra la obtención de una imagen mediante la tomografía convencional de rayos X. La imagen del órgano es en esencia un mapa de la atenuación de rayos X cuando pasan a través del tejido orgánico. El material luminiscente se encuentra en la sección de detectores.
Figura 4. Esquema de la tomografía por emisión de positrones. A diferencia de la de rayos X, en ésta se hace un mapa de aniquilación de positrón-electrón, positrón proveniente de un fármaco administrado al paciente y electrón del tejido bajo estudio (en el esquema se sugiere el del cerebro). Esta técnica logra imágenes imposibles de obtener con la tomografía convencional. Nuevamente, se requiere un material luminiscente, esquematizado en la figura por los cilindros a cada lado de la cabeza del paciente.
de transformar la luz solar en una luminiscencia de color rojizo muy apreciada en la joyería. También recuérdese que el primer dispositivo láser de estado sólido se construyó a principios de los años 60 basándose en las propiedades luminiscentes del rubí.
Otro ejemplo es el material utilizado en las lámparas fosforescentes, que es un cristal de fosfato de calcio que tiene dos tipos de impurezas: el antimonio y el manganeso. El antimonio brilla con luz azul y el manganeso con luz amarilla. La mezcla de estos colores produce la luz brillante característica de dichas lámparas.
Un último ejemplo es el material que se emplea en los monitores en blanco y negro de los televisores, las computadoras, el microscopio electrónico o el osciloscopio. El cinescopio de estos aparatos está cubierto en su parte delantera con sulfuro de zinc –al igual que el aparato de Crookes–, al que se han agregado “impurezas” de plata. En este caso, la impureza de plata se encarga de transformar parte de la energía cinética de los electrones rápidos que se producen en la parte trasera del cinescopio para que choquen con la parte delantera y cedan así su energía al sulfuro de zinc con impurezas de plata; la energía cinética se convierte en una luz blanco-azulada con la que se forma la imagen en la pantalla.
Una aplicación clínica de los materiales luminiscentes la vemos en el fluoroinmunoanálisis. En esta aplicación, el objetivo es identificar especies biológicas, especialmente para su uso clínico.
Su utilidad se basa en la colocación de “etiquetas luminiscentes”que por sí solas no luminescen, pero que se acoplan químicamente con un anticuerpo, cuya presencia está ligada a una biomolécula u organismo dado; la etiqueta es entonces capaz de responder con luminiscencia cuando se le ilumina con luz ultravioleta, indicando de esta forma la presencia de la biomolécula u organismo.
El proceso de transformación de la energía es similar al de un sólido dopado. Un ejemplo de etiqueta luminiscente es el europio encapsulado en bipiridina. La bipiridina absorbe la luz ultravioleta con la que se le ilumina, y transfiere parte de la energía al europio, el cual emite luz roja siempre y cuando la etiqueta esté acoplada al anticuerpo.
También hay etiquetas luminiscentes sólidas cristalinas. En este caso, las partículas de polvo cristalino se conectan con el anticuerpo y pueden transformar la luz ultravioleta en luz visible rojiza por el hecho de estar conectadas, demostrando así la presencia del anticuerpo.
Particular interés en las aplicaciones tienen los materiales luminiscentes que pueden transformar la energía –bastante considerable– de los rayos X o de los rayos gamma en luz visible. Estos materiales se conocen como “centelladores”. El fenómeno de la luminiscencia aquí es toda una rareza de la naturaleza, ya que ordinariamente se esperaría que el material transformara la energía de los rayos X o gamma únicamente en calor, pero los centelladores se las arreglan para utilizar parte de esa energía para resplandecer.
El fenómeno de centelleo fue descubierto en 1903. Es en el área de la imagenología médica, entre otras, en donde estos materiales centelladores tienen una aplicación muy práctica. En efecto, un médico puede sospechar que su paciente, dados sus síntomas, tiene un tumor cerebral, pero en lugar de realizar una peligrosa cirugía exploratoria le prescribe algo más benigno: una tomografía por emisión de positrones.
¿En qué consiste ésta? En que se administra al paciente un isótopo de carbono, nitrógeno u oxígeno, que son los principales componentes de las moléculas de la materia viva, pero que además son capaces de emitir ciertos electrones “positivos” conocidos como positrones; cuando un positrón es emitido por el fármaco administrado al paciente y encuentra y choca con un electrón del tejido cerebral, se produce una reacción de “aniquilación”, pues el positrón y el electrón desaparecen, quedando en su lugar dos rayos gamma que viajan en direcciones opuestas (Figura 5).
El registro de estas aniquilaciones mediante la detección de los rayos gamma asociados permite procesar una imagen de alta resolución que el médico utilizará para su diagnóstico; en caso de existir un tumor, éste podrá ser localizado e iniciar la terapia.
La detección de los rayos gamma mencionados –y por consiguiente la aniquilación a la que están asociados– se hace aprovechando las propiedades de un material centellador. Los primeros tomógrafos por emisión de positrones se construyeron a principios de la década de los 70, y en ellos se utilizó como centellador un compuesto de sodio con impurezas de talio, material relativamente ineficiente para detectar los rayos gamma que se producen en el paciente. La investigación
Otro ejemplo es el material utilizado en las lámparas fosforescentes, que es un cristal de fosfato de calcio que tiene dos tipos de impurezas: el antimonio y el manganeso. El antimonio brilla con luz azul y el manganeso con luz amarilla. La mezcla de estos colores produce la luz brillante característica de dichas lámparas.
Un último ejemplo es el material que se emplea en los monitores en blanco y negro de los televisores, las computadoras, el microscopio electrónico o el osciloscopio. El cinescopio de estos aparatos está cubierto en su parte delantera con sulfuro de zinc –al igual que el aparato de Crookes–, al que se han agregado “impurezas” de plata. En este caso, la impureza de plata se encarga de transformar parte de la energía cinética de los electrones rápidos que se producen en la parte trasera del cinescopio para que choquen con la parte delantera y cedan así su energía al sulfuro de zinc con impurezas de plata; la energía cinética se convierte en una luz blanco-azulada con la que se forma la imagen en la pantalla.
Una aplicación clínica de los materiales luminiscentes la vemos en el fluoroinmunoanálisis. En esta aplicación, el objetivo es identificar especies biológicas, especialmente para su uso clínico.
Su utilidad se basa en la colocación de “etiquetas luminiscentes”que por sí solas no luminescen, pero que se acoplan químicamente con un anticuerpo, cuya presencia está ligada a una biomolécula u organismo dado; la etiqueta es entonces capaz de responder con luminiscencia cuando se le ilumina con luz ultravioleta, indicando de esta forma la presencia de la biomolécula u organismo.
El proceso de transformación de la energía es similar al de un sólido dopado. Un ejemplo de etiqueta luminiscente es el europio encapsulado en bipiridina. La bipiridina absorbe la luz ultravioleta con la que se le ilumina, y transfiere parte de la energía al europio, el cual emite luz roja siempre y cuando la etiqueta esté acoplada al anticuerpo.
También hay etiquetas luminiscentes sólidas cristalinas. En este caso, las partículas de polvo cristalino se conectan con el anticuerpo y pueden transformar la luz ultravioleta en luz visible rojiza por el hecho de estar conectadas, demostrando así la presencia del anticuerpo.
Particular interés en las aplicaciones tienen los materiales luminiscentes que pueden transformar la energía –bastante considerable– de los rayos X o de los rayos gamma en luz visible. Estos materiales se conocen como “centelladores”. El fenómeno de la luminiscencia aquí es toda una rareza de la naturaleza, ya que ordinariamente se esperaría que el material transformara la energía de los rayos X o gamma únicamente en calor, pero los centelladores se las arreglan para utilizar parte de esa energía para resplandecer.
El fenómeno de centelleo fue descubierto en 1903. Es en el área de la imagenología médica, entre otras, en donde estos materiales centelladores tienen una aplicación muy práctica. En efecto, un médico puede sospechar que su paciente, dados sus síntomas, tiene un tumor cerebral, pero en lugar de realizar una peligrosa cirugía exploratoria le prescribe algo más benigno: una tomografía por emisión de positrones.
¿En qué consiste ésta? En que se administra al paciente un isótopo de carbono, nitrógeno u oxígeno, que son los principales componentes de las moléculas de la materia viva, pero que además son capaces de emitir ciertos electrones “positivos” conocidos como positrones; cuando un positrón es emitido por el fármaco administrado al paciente y encuentra y choca con un electrón del tejido cerebral, se produce una reacción de “aniquilación”, pues el positrón y el electrón desaparecen, quedando en su lugar dos rayos gamma que viajan en direcciones opuestas (Figura 5).
El registro de estas aniquilaciones mediante la detección de los rayos gamma asociados permite procesar una imagen de alta resolución que el médico utilizará para su diagnóstico; en caso de existir un tumor, éste podrá ser localizado e iniciar la terapia.
La detección de los rayos gamma mencionados –y por consiguiente la aniquilación a la que están asociados– se hace aprovechando las propiedades de un material centellador. Los primeros tomógrafos por emisión de positrones se construyeron a principios de la década de los 70, y en ellos se utilizó como centellador un compuesto de sodio con impurezas de talio, material relativamente ineficiente para detectar los rayos gamma que se producen en el paciente. La investigación
Figura 5. Esquema que muestra la producción de dos rayos gamma como producto de la aniquilación del electrón-positrón. El material centellador está contenido en los cristales fotomultiplicadores. El desempeño de tales cristales se relaciona con la calidad de la imagen que se obtiene. Un tomógrafo por emisión de positrones moderno alcanza una resolución de estructuras del orden de dos y medio milímetros.
en la búsqueda de centelladores con mejores características es aún un campo abierto a la investigación.
En la actualidad se cuenta con sustancias más eficientes que el compuesto de sodio, entre las cuales puede mencionarse principalmente al germanato de bismuto. Pero la búsqueda continúa.
Con todo lo dicho, el lector tendrá una idea más clara de lo estratégica que es la investigación básica de nuevos materiales, pues hace posible aplicar las propiedades de sólidos como los luminiscentes a los aspectos de la vida diaria, precisamente para mejorar su calidad. Ojalá que cuando se le pida alguna opinión al respecto, sea benevolente con quienes estamos dedicando nuestro trabajo a esos estudios y nos apoye al momento de pedir recursos para hacerlos mejor.
En la actualidad se cuenta con sustancias más eficientes que el compuesto de sodio, entre las cuales puede mencionarse principalmente al germanato de bismuto. Pero la búsqueda continúa.
Con todo lo dicho, el lector tendrá una idea más clara de lo estratégica que es la investigación básica de nuevos materiales, pues hace posible aplicar las propiedades de sólidos como los luminiscentes a los aspectos de la vida diaria, precisamente para mejorar su calidad. Ojalá que cuando se le pida alguna opinión al respecto, sea benevolente con quienes estamos dedicando nuestro trabajo a esos estudios y nos apoye al momento de pedir recursos para hacerlos mejor.
Bibliografía
http://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol19num1/articulos/luminiscentes/index.htm. Visualizado el dia 16 de octubre de 2013
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