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Multiplican la eficiencia de los nanomateriales luminiscentes de upconversión para aplicaciones como la impresión 3D, la bioimagen o las células solares

Un equipo internacional de investigación, con participación de la Universitat de València (UV), ha conseguido multiplicar la eficiencia lumínica de los nanomateriales de conversión ascendente, un sistema de absorción y emisión de luz que ofrece grandes ventajas en aplicaciones como la impresión 3D, la bioimagen o las células solares. El trabajo, recién publicado en Nature Photonics, abre de lleno las puertas de la luminiscencia más avanzada a las nanopartículas de lantánidos, al haber superado éstas un nivel de eficiencia hasta ahora casi exclusivo de los materiales convencionales.

José Marqués-Hueso (ICMUV, Universitat de València).

Los materiales de conversión ascendente –upconversión– tienen la capacidad de emitir luz en la región visible o ultravioleta, partiendo de fotones de menor energía, y son útiles para gran diversidad de aplicaciones en sectores como la energía, la óptica o la fotónica. Desde hace más de dos décadas, los nanomateriales basados en lantánidos –metales denominados comúnmente ‘tierras raras’– rivalizan con los micromateriales –más convencionales– para agigantar con sus múltiples posibilidades los avances en estos campos. Una característica fascinante, por ejemplo, de los nanomateriales es la capacidad para distribuir los átomos en formaciones inusuales, lo que permite modificar las propiedades del material en beneficio de un interés determinado, superando a los materiales convencionales. Es la mecánica cuántica sobreponiéndose a la clásica.

Sin embargo, uno de los grandes problemas de la upconversión es la baja eficiencia de emisión de luz de los materiales utilizados, en especial si se trata de nanopartículas, puesto que obtener fotones de alta energía a partir de fotones de baja energía es un proceso contra natura. Superar este hándicap supone, desde hace años, un reto para la ciencia de los materiales. Un equipo internacional de investigación, con participación del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universitat de València (ICMUV), acaba de conseguir nanopartículas de lantánidos mucho más eficientes para la conversión óptica ascendente, superando la capacidad lumínica de los materiales convencionales. El trabajo, recién publicado en la revista Nature Photonics, demuestra que un control preciso del tamaño del dominio –es decir, de la capa intermedia de la nanopartícula de lantánidos– aumenta la eficiencia del nanomaterial hasta superar la de sus homólogas a escala micrométrica. “Todo se debe a un efecto de tamaño único en los materiales luminiscentes basados en lantánidos, debido a una transferencia de energía de largo alcance que conduce a un impresionante rendimiento cuántico de conversión ascendente, que convierte hasta un 26% de los fotones”, explica José Marqués-Hueso, investigador distinguido-sénior Beatriz Galindo, en el ICMUV, y cofirmante del artículo. “Hemos utilizado algunos átomos como sensibilizadores especializados en absorber la excitación y transferir la energía al átomo emisor para que produzca luz. Lo hemos hecho sintetizando nanopartículas en forma de cebolla de tres capas, con una precisión casi atómica”, detalla Feng Li, investigador en el Harbin Institute of Technology (China) y primer firmante del artículo. “Las ventajas son innegables ahora para la bioimagen, la optogenética, la nanotermometría, la nanoscopia de superresolución y tantas otras aplicaciones tecnológicas prácticas, con cuyas exigencias no se podía cumplir hasta ahora a causa de los bajos niveles de eficiencia lumínica de estos nanomateriales”, comenta Langping Tu, de la Chinese Academy of Sciences (Changchun, China) y coautor del trabajo.“Este logro supone un avance significativo que transforma la concepción convencional de la upconversión de lantánidos establecida en la década de 1960”, dice el director del proyecto y catedrático del Harbin Institute of Technology de China, Guanying Chen, “Este avance transforma la comprensión existente desde hace tiempo de la imagen física de la transferencia de energía entre iones de lantánidos, lo que producirá profundos efectos en el diseño de materiales de luminiscencia para sus futuras aplicaciones en nanofotónica y biofotónica”.

Liderado por el Harbin Institute of Technology (China), el proyecto cuenta con la participación de la Universität Bern (Suiza), la Heriot Watt University de Edimburgo (Escocia) y la Universitat de València (España).

Referencia bibliográfica

Size-dependent lanthanide energy transfer amplifies upconversion luminescence quantum yields. Feng Li, Langping Tu, Yuqi Zhang, Dingxin Huang, Xingxu Liu, Xiaorong Zhang, Jiarui Du, Rongwei Fan, Chunhui Yang, Karl W. Krämer, Jose Marques-Hueso & Guanying Chen. Nature Photonics (2024).

Fuente: UVuente: UV