El Sol envía hacia la Tierra una cantidad descomunal de energía, pero buena parte llega en una forma que ciertos procesos químicos no pueden aprovechar directamente. Muchos catalizadores, resinas y sistemas de descontaminación necesitan radiación ultravioleta para activarse, mientras que la mayor parte de la luz solar disponible pertenece al rango visible.
Un equipo de la Universidad de Kyushu, en Japón, ha desarrollado un material sólido capaz de salvar parte de esa diferencia. Según el estudio publicado en Nature Communications, el cristal absorbe luz visible de baja energía y combina la energía de varios fotones para emitir radiación ultravioleta, incluso cuando la iluminación utilizada se encuentra cerca de la intensidad natural del Sol.
El resultado no significa que el material produzca combustible por sí mismo ni que vaya a reemplazar de inmediato las lámparas ultravioletas. Su valor está en demostrar que una conversión difícil puede realizarse dentro de un sólido, sin depender de líquidos volátiles y sin exigir haces láser miles de veces más intensos que la iluminación ambiental.
Dos fotones visibles entran y uno ultravioleta sale
La dificultad comienza con una regla aparentemente sencilla: un fotón de luz visible contiene menos energía que uno ultravioleta. Por tanto, un material no puede transformar uno en otro sin recibir energía adicional.
La estrategia utilizada por los investigadores se denomina conversión ascendente de fotones por aniquilación triplete-triplete, o TTA-UC. De acuerdo con la Universidad de Kyushu, una molécula donante absorbe primero la luz visible y transfiere esa energía a moléculas vecinas. Cuando dos de esos estados excitados coinciden, sus energías se combinan y generan un único fotón más energético, situado en la región ultravioleta.
El fenómeno ya funcionaba con bastante eficacia en disoluciones líquidas. Allí, las moléculas pueden desplazarse, encontrarse y transferirse energía con relativa facilidad. El problema aparece al intentar trasladar el mecanismo a un dispositivo sólido, mucho más conveniente para aplicaciones reales.
Dentro de un cristal, las moléculas permanecen prácticamente inmóviles y sus nubes electrónicas pueden quedar demasiado cerca. Según explican los autores en Nature Communications, esa proximidad favorece que la energía se pierda antes de producir la emisión ultravioleta. Separarlas demasiado tampoco resuelve el problema, porque entonces la transferencia energética se vuelve demasiado lenta.
La solución estaba en dejar exactamente el espacio necesario
El equipo no buscó simplemente una molécula que brillara con mayor intensidad. Su objetivo fue controlar con precisión la manera en que las moléculas se colocaban unas junto a otras dentro del cristal.
Para ello utilizaron derivados de una estructura orgánica denominada dihidroindenoindeno, abreviada como DHI. Según la investigación, los científicos añadieron cadenas de alquilo por encima y por debajo del plano electrónico principal de la molécula. Estas extensiones funcionan como pequeños separadores tridimensionales: evitan que las moléculas se amontonen, pero conservan la cercanía necesaria para que la energía pueda circular.
La comparación utilizada por Yoichi Sasaki, uno de los responsables del estudio, resulta bastante gráfica. Las moléculas deben permanecer lo bastante próximas para intercambiar energía, pero no tanto como para que sus estados excitados se apaguen entre sí. El diseño buscó precisamente ese equilibrio.
Entre las tres variantes estudiadas, la denominada iBu-DHI ofreció el mejor comportamiento. En función de los resultados publicados, el material mantuvo una elevada emisión luminosa, una vida relativamente larga de sus estados excitados y una difusión rápida de la energía a través del sólido. Son tres características que normalmente resultan difíciles de conseguir al mismo tiempo.
Funciona con una intensidad comparable a la luz solar
La película cristalina consiguió una eficiencia absoluta de conversión del 1,9%. La cifra puede parecer baja, pero la clave se encuentra en las condiciones utilizadas. Según la Universidad de Kyushu, equivale aproximadamente a producir dos fotones ultravioletas por cada cien fotones visibles absorbidos, trabajando con una iluminación que puede obtenerse del Sol sin recurrir a una fuente extremadamente intensa.
El umbral de funcionamiento quedó situado en 1,2 milivatios por centímetro cuadrado. El artículo de Nature Communications señala que esta intensidad es incluso ligeramente inferior a la irradiancia solar disponible alrededor de la longitud de onda utilizada en los experimentos, situada cerca de los 445 nanómetros.
Eso marca una diferencia importante frente a otros sistemas sólidos. Hasta ahora, muchos podían efectuar la misma conversión únicamente bajo láseres o iluminaciones muy concentradas, condiciones poco prácticas para un dispositivo alimentado directamente por luz natural.
El material también mantuvo la emisión en presencia de oxígeno. De acuerdo con los investigadores, su estructura molecular compacta ayuda a proteger los estados excitados frente a uno de los principales responsables de que la conversión pierda eficiencia al entrar en contacto con el aire.
Del hidrógeno solar a la purificación del aire
La radiación ultravioleta representa solo una fracción pequeña del espectro solar que llega a la superficie. El estudio calcula que el intervalo comprendido entre 300 y 400 nanómetros supone alrededor del 3% de la energía solar disponible, aunque es precisamente esa región la que activa numerosos fotocatalizadores.
Uno de los posibles usos se encuentra en la separación fotocatalítica del agua. Algunos materiales empleados para obtener hidrógeno necesitan fotones de alta energía para iniciar la reacción. Un conversor colocado junto al catalizador podría transformar parte de la luz visible, mucho más abundante, en ultravioleta aprovechable.
Por ahora, el estudio no demuestra una producción industrial de hidrógeno verde utilizando este cristal. Lo que presenta es un material que podría integrarse en futuros sistemas solares para ampliar la porción del espectro capaz de activar el catalizador.
La Universidad de Kyushu también menciona posibles aplicaciones en purificación del aire, impresión 3D de baja intensidad y procesos químicos impulsados por luz. La radiación ultravioleta se utiliza para degradar contaminantes, endurecer resinas, fabricar determinados materiales y activar reacciones que de otro modo exigirían calor o reactivos adicionales.
El cristal todavía no está preparado para abandonar el laboratorio
La eficiencia deberá aumentar antes de que el sistema pueda competir con fuentes ultravioletas comerciales. También será necesario comprobar su estabilidad durante miles de horas, fabricar superficies más grandes y conseguir que el crecimiento de los cristales produzca siempre la misma organización molecular.
Los propios autores advierten que técnicas como el recubrimiento por giro o la deposición por goteo todavía no permiten controlar completamente el tamaño de los cristales y sus fronteras internas. Esas pequeñas diferencias pueden alterar el transporte de energía y provocar que dos películas fabricadas de manera semejante no ofrezcan exactamente el mismo rendimiento.
El material ya ha sido presentado para su protección mediante patente y, según la Universidad de Kyushu, puede sintetizarse a partir de componentes relativamente económicos. Aun así, existe una enorme distancia entre disponer de una película experimental y producir un dispositivo resistente, barato y capaz de trabajar años al aire libre.
Quizá la aportación más importante no sea ese 1,9%, sino la estrategia que permitió alcanzarlo. El estudio demuestra que reorganizar la distancia y la orientación de moléculas conocidas puede resultar tan decisivo como descubrir sustancias completamente nuevas.
La luz visible no se convierte mágicamente en ultravioleta: dos pequeñas porciones de energía terminan reuniéndose en una sola. Si ese mecanismo puede perfeccionarse, una parte del espectro solar que hoy pasa de largo podría terminar alimentando reacciones químicas, sistemas de purificación y tecnologías para producir combustibles con una dependencia mucho menor de fuentes artificiales de luz.
