La ciencia está ahora un paso más cerca de llevar el efecto de brillo en la oscuridad que se suele utilizar en letreros y relojes a una mayor variedad de aplicaciones sin necesidad de metales raros.
Aplicando una nueva estrategia de combinación de moléculas orgánicas basadas en el carbono, los investigadores de la Universidad de Kyushu y el Instituto de Ciencia y TecnologÃa de Okinawa (OIST), ambos en Japón, han mejorado notablemente la duración y la fuerza del brillo producido por los versátiles materiales. Como se informa en un artÃculo publicado en Nature Materials, estos nuevos materiales orgánicos pueden convertirse en pinturas y fibras más fácilmente que sus homólogos que contienen metales raros.
El nuevo trabajo se basa en el descubrimiento del mismo grupo de investigación en 2017 del primer sistema orgánico del mundo para producir el efecto de brillo en la oscuridad a temperatura ambiente mediante la fusión de dos moléculas sin metal. Conocido formalmente como luminiscencia persistente, el fenómeno de brillo en la oscuridad también suele denominarse fosforescencia, aunque este término también se aplica a otro mecanismo de emisión que se encuentra comúnmente en los materiales orgánicos.
Aunque los materiales comerciales que brillan en la oscuridad basados en compuestos inorgánicos que contienen metales de tierras raras ya alcanzan un rendimiento excelente, su naturaleza inorgánica suele limitar su procesamiento.
"Los materiales orgánicos son más fáciles de conseguir que los materiales inorgánicos que contienen metales raros, y su solubilidad los hace más fáciles de procesar", explica Chihaya Adachi, profesor y director de la investigación en la Universidad de Kyushu. "Además de las nuevas aplicaciones de los materiales que almacenan la luz, como tintas, pelÃculas y fibras, esperamos que los orgánicos permitan también aplicaciones de bioimagen en el futuro".
Sin embargo, la duración y la fuerza de la emisión del material orgánico que desarrollaron en 2017 eran solo una centésima parte de las de los materiales inorgánicos, y el brillo se extinguÃa rápidamente en presencia de oxÃgeno.
"Al cambiar nuestra estrategia de diseño, hemos conseguido mejorar el rendimiento de la luminiscencia persistente orgánica unas 10 veces con respecto a nuestro informe anterior", afirma Ryota Kabe, profesor adjunto y lÃder de la investigación en el OIST.
En el corazón de la emisión, el mecanismo es la excitación de un electrón cargado negativamente a un estado de mayor energÃa por la absorción de luz. La transferencia de un electrón de menor energÃa desde una molécula donante cercana para llenar el "agujero" dejado por el electrón excitado hace que una molécula tenga un electrón más de lo normal y la otra menos, situación conocida como estado de transferencia de carga.
La emisión se produce cuando los electrones excitados vuelven a las moléculas a las que les falta un electrón y emiten su energÃa extra en forma de luz. Asà que la clave para conseguir un brillo duradero es conseguir que las cargas se separen saltando entre las moléculas, lo que ralentiza su eventual retorno.
En este estudio, los investigadores eligieron una combinación de materiales en la que son efectivamente los agujeros -los vacÃos dejados por los electrones excitados- los que saltan entre las moléculas, en lugar de los electrones. Los huecos suelen ser más estables y menos reactivos con el oxÃgeno, por lo que la emisión de luz del material era mucho más larga en el aire que en sus materiales anteriores, en los que los electrones excitados eran móviles.
Al emplear un material absorbente que podÃa excitarse con luz de menor energÃa, los materiales no sólo podÃan energizarse con luz ultravioleta, sino también con luz verde e incluso naranja. Además, los investigadores lograron estabilizar aún más el estado de almacenamiento de energÃa añadiendo un tercer material orgánico que esencialmente atrapa los agujeros, retrasando su retorno y ampliando la duración de la emisión.
"Ahora hemos conseguido una mayor duración y emisión en condiciones atmosféricas", comenta Kabe. "Aunque el rendimiento sigue siendo inferior al de los materiales inorgánicos, esperamos conseguir un rendimiento que supere al de los inorgánicos con más investigaciones".
Los investigadores también esperan que los materiales orgánicos desarrollados en esta investigación ayuden a ampliar y diversificar las industrias sostenibles sin necesidad de metales raros.
"Una y otra vez, descubrimos que el control preciso de los materiales orgánicos de transferencia de carga permite expresar una variedad de propiedades de emisión, no sólo para aplicaciones de brillo en la oscuridad, sino también para LEDs y láseres orgánicos. Estoy deseando ver las nuevas posibilidades que la profundización de la ciencia aportará en el futuro", afirma Adachi.
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